Способ получения искусственной почвы на основе клиноптилолита

 

Изобретение относится к агрохимии и может быть использовано для интенсивного растениеводства. Искусственную почву получают на основе клиноптилолита путем смешения катионита и анионита в определенных пропорциях с последующим уравновешиванием полученной смеси с раствором смеси питательных веществ. В качестве анионита используют материал, получаемый последовательной обработкой клиноптилолита сначала растворимой солью магния при температуре не менее 50^oC, а затем гидрофосфатом щелочного металла или аммония при температуре не более 35^oC. Способ позволяет снизить стоимость процесса получения искусственной почвы и повысить ее экологическую чистоту за счет исключения из состава синтетических химических материалов. 2 ил., 1 табл.

В последние десятилетия для интенсивного выращивания растений в искусственных условиях используются питательные среды на основе ионообменных материалов, содержащих все элементы минерального питания растений в обменно-поглощенном состоянии [1]. Высокая обменная емкость ионообменников по сравнению с обычными почвенными средами позволяет им удерживать значительное количество ионов при практически постоянном и строго контролируемом составе, а также при удобстве в эксплуатации и высокой продуктивности. За счет значительного сокращения полезных площадей для интенсивного растениеводства создаются преимущества перед традиционными парниковыми системами, а за счет исключения необходимости непрерывной подкормки растений искусственными многокомпонентными питательными растворами создаются преимущества перед такими формами локального растениеводства как гидропоника. Наконец, возможность регулирования ионного состава искусственных почв в ионообменных субстратах позволяет выращивать экологически чистую продукцию, не содержащую избыточных количеств нитратов, хлоридов, тяжелых или радиоактивных микрокомпонентов и других элементов [2].

Известен способ получения искусственной почвы, заключающийся в смешении в определенных пропорциях синтетических ионоообменных смол - катионита и анионита, предварительно насыщенных необходимыми количествами элементов минерального питания растений в соответствующих катионных или анионных формах [3]. Недостатком этого способа является дороговизна и недоступность в больших масштабах синтетических ионообменных материалов.

Известны способы получения искусственных почв, в которых один из компонентов ионообменного субстрата, а именно катионит, частично или полностью заменяется на природный цеолит - клиноптилолит [4].

Известен также способ получения искусственной почвы на основе клиноптилолита, в котором последний насыщают биоэлементами катионного характера, а недостающие элементы анионного характера вводят в виде нерастворимых кальциевых солей. Указанным способом, в частности, получают питательную среду "Балканин" [5] . Недостатком этого способа является то, что биологическая активность вводимых таким образом элементов, в особенности фосфора, является низкой ввиду практической нерастворимости соответствующих кальциевых солей. При этом использование других, более растворимых солей нарушает необходимый баланс питательных элементов.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ получения искусственной почвы на основе клиноптилолита типа ионитных субстратов "Бион", в котором используется смесь клиноптилолита и слабоосновного синтетического анионита, предварительно насыщенных питательными элементами в необходимых пропорциях. При этом клиноптилолит насыщают элементами катионного характера, калием, кальцием, магнием, железом, а также микроэлементами: марганцем, цинком, кобальтом, никелем, медью и другими компонентами; слабоосновный анионит насыщают смесью элементов анионного характера, азотом, фосфором, серой, молибденом, бором в виде обменносорбированных ионов NO^-₃,H₂PO²₄^-,SO²₄^-,B₄O²₇^-,MoO²₄^- [4]. Помимо дороговизны и малой доступности синтетического анионита указанный способ не позволяет также получать экологически чистую овощную продукцию в связи с возможностью постепенной химической деструкции синтетических смол в процессе их использования с образованием вредных органических мономеров.

Целью изобретения является удешевление процесса получения искусственной почвы для активного растениеводства и повышение экологической чистоты искусственных почв за счет исключения из их состава синтетических химических материалов. Для достижения указанной цели при приготовлении искусственной почвы по способу, включающему смешение катионита и анионита в определенных пропорциях с последующим уравновешиванием полученной смеси с раствором смеси питательных веществ, в качестве анионита используют материал, получаемый последовательной обработкой клиноптилолита сначала растворимой солью магния при температуре не менее 50^oC, а затем гидрофосфатом щелочного металла или аммония при температуре не более 35^oC.

На фиг. 1 представлена выходная кривая концентраций иона магния, получаемая при пропускании через ионообменную колонну с клиноптилолитом в Na⁺-форме раствора сульфата магния при температуре 70^oC.

На фиг. 2 представлена выходная кривая концентраций иона аммония, получаемая при пропускании при 25^oC гидрофосфата аммония через ионообменную колонну, предварительно переведенную в Mg²⁺-форму при 70^oC.

В основе предложенного способа получения искусственных почв на основе клиноптилолита лежит обнаруженный авторами эффект сильной зависимости селективности клиноптилолита к ионам магния по отношению к одновалентным ионам от температуры при одновременной сильной температурной зависимости параметров кристаллической решетки клиноптилолита. При повышенной температуре клиноптилолит способен сорбировать значительное количество крупных по размеру гидратированных ионов магния за счет расширения кристаллической решетки и коэффициента ионообменной селективности. При снижении температуры и обратном сжатии решетки ионы магния оказываются необратимо блокированными в структуре клиноптилолита. Данные на фиг. 1, соответствующие следующим экспериментальным условиям: масса клиноптилолита 10 г; средний размер зерен сорбента 1,5 мм; скорость пропускания раствора через колонку 20 мл/час, показывают, что емкость клиноптилолита по магнию при 70^oC составляет 0,8 мг-экв/г при полной обменной емкости 1,2 мг-экв/г. Это почти на порядок превышает соответствующую емкость при 25^oC. В процессе последующего пропускания через магниевую форму клиноптилолита раствора, например гидрофосфата аммония уже при пониженной температуре, например при 25^oC, фосфатные группы образуют нейтральную соль - фосфат магния, иммобилизованную в структуре клиноптилолита, а ионы аммония занимают ионообменные места. Как можно легко определить с помощью выходной кривой, представленной на фиг. 2, емкость клиноптилолита по аммонию составляет 1,17 мг-экв/г, то есть практически равна полной обменной емкости клиноптилолита. При этом анализы показывают, что магний не вымывается из сорбента даже в следовых количествах, а количество иммобилизованного фосфата равно количеству включенного магния. В результате получается композитный материал, в котором в структуру клиноптилолита при сохранении его основной катионообменной емкости внедрена новая неорганическая фаза, содержащая активный фосфат в виде фосфатов магния (кислых, средних и основных) в количествах, соизмеримых с основной емкостью. Новая неорганическая фаза способна выполнять роль активного фосфатного компонента в искусственной почве. Эта фаза также способна выполнять частично и только роль анионобменника для введения в состав композита других биоэлементов анионного характера. В связи с низкой селективностью полученного композитного материала к нитрат-ионам по отношению к исходным фосфат ионам, целесообразно при приготовлении искусственной почвы с учетом агрохимических требований для разных культур вводить в нее биоактивный азот при минимальном значении соотношения нитрат-ион ион аммония. В связи с достаточной сульфатной активностью сульфата в разных формах целесообразно корректировать состав получаемых искусственных почв введением в ее состав CaSO₄ в соответствии со способом [5].

При получении искусственной почвы по предлагаемому способу целесообразно проводить стадию сорбции магнии при температуре не ниже 5^oC, поскольку при более низких температурах относительная масса активного фосфата в клиноптилолите недостаточная.

Целесообразно проводить стадию иммобилизации фосфата магния при температуре не выше 35^oC, поскольку при более высоких температурах магний обратно вымывается из клиноптилолита.

При получении искусственной почвы после стадии синтеза композитного материала и смешения его с необходимым количеством сульфата кальция для корректировки состава целесообразно обрабатывать полученную смесь раствором жидкой смеси питательных элементов, выбираемой в соответствии с агрохимическими таблицами, до равновесия с указанным раствором. Процесс уравновешивания при этом может быть осуществлен как в статических условиях (в реакторах смешения) так и в динамических условиях в ионообменных колоннах. Соответствующее потребление элементов из раствора в этом процессе зависит от исходного содержания композита. Отработанный в одном цикле получения искусственной почвы раствор может быть доукреплен по всем компонентам и использован в очередном цикле обработки композита без потерь химических реагентов.

В качестве солей магния, а также гидрофосфатов могут быть использованы различные отходы или сточные воды в связи с отсутствием жестких требований к составу этих растворов. Независимо от вида используемых реагентов последние также утилизируются без потерь в последующих циклах обработки клиноптилолита, поскольку на каждой стадии обработки динамический процесс осуществляется при коэффициентах селективности больше единицы (при выпуклых эффективных изотермах).

Пример осуществления способа получения искусственной почвы.

В ионообменную колонну с параметрами l=100 см и S=100 см², снабженную термостатирующей рубашкой, загружают 10 кг исходного клиноптилолита в натриевой форме и пропускают через него раствор сульфата магния с концентрацией 30 г/л при 70^oC со скоростью 20 л/ч. Процесс ведут в течение 5 ч, после чего колонну охлаждают до 25^oC и промывают 5 л пресной воды. Отработанный раствор и промывные воды сохраняют для использования в последующих циклах. Через колонну пропускают в течение 4 ч раствор гидрофосфата аммония с концентрацией 15 г/л со скоростью 20 л/ч. Колонну промывают 5 л пресной воды. Отработанный раствор и промывные воды сохраняют для использования в последующих циклах работы. Полученный композит выгружают из колонны в открытый полиэтиленовый бак на 40 л и в него при перемешивании добавляют 100 г сульфата натрия в виде гипса. Готовят жидкую питательную смесь в соответствии с агрохимическими таблицами, например, для выращивания салата готовят следующую смесь: вода 100 л; аммоний сернокислый 23,7 г; магний сернокислый 53,7 г; монокальций-фосфат 6 г; кальций азотнокислый 65,6 г; калий азотнокислый 50 г; раствор микроэлементов "B" 15 г. Исходный композит заливают 20 л приготовленного раствора и перемешивают в течение 1 ч, а затем в течение 15 мин дают отстояться.

Раствор сливают и композит заливают свежей порцией в 20 л и операцию перемешивания и отстоя повторяют. Процесс повторяют еще три раза, причем последний раз дают смеси отстояться в течение 1 сут.

Отработанный раствор сохраняют для доукрепления и использования в последующих циклах работы. Полученный состав является искусственной почвой и его используют для интенсивного выращивания овощной культуры в условиях, описанных в способе [4]. В таблице приведены сравнительные данные по результатам выращивания сырой овощной биомассы на субстрате "Бион" [4] и на композитном субстрате, полученном в соответствии с предложенным способом.

Предлагаемый способ, таким образом, за счет специального метода приготовления цеолитсодержащего субстрата позволяет исключить из состава искусственных почв синтетические ионообменные материалы при сохранении целевой продуктивности последних.

Литература 1. Солдатов В.С., Перышкина Н.Г., Хорошко Р.П. Ионитные почвы. - Минск: Наука и техника, 1978, 270 с.

2. Солдатов В. С. , Перышкина Н.Г. Искусственные почвы для растений. - Минск: Наука и техника, 1985, 64 с.

3. Авторское свидетельство СССР N 211935, 1968 г.

4. Солдатов В.С. и др. Ионитные субстраты "Бион" на основе клиноптилолита. - в сб. Добыча, переработка и применение природных цеолитов. - Тбилиси: Сакартвелло, 1989, с. 319-322. - Прототип.

5. Стоилов Г. Итоги экспериментальной оценки применения природных цеолитов в растениеводстве. Природные цеолиты. - София, 1986, 256 с.

Формула изобретения

Способ получения искусственной почвы на основе клиноптилолита, включающий смешение катионита и анионита в определенных пропорциях с последующим уравновешиванием полученной смеси с раствором смеси питательных веществ, отличающийся тем, что в качестве анионита используют материал, получаемый последовательной обработкой клиноптилолита сначала растворимой солью магния при температуре не менее 50^oC, а затем гидрофосфатом щелочного металла или аммония при температуре не более 35^oC.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3