Способ получения гуминовых кислот и гуматов из торфа
Владельцы патента RU 2429214:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Югорский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к торфяной промышленности и сельскому хозяйству и может быть использовано для получения водорастворимых поверхностно-активных веществ, гуминовых стимуляторов роста, гуминовых удобрений, наполнителей для химически стойких пластмасс, добавки к цементу, буровых реагентов. Способ включает обработку торфа водным раствором щелочи или аммиака. Обработку ведут при концентрации от 0,5 до 1,0 моль/л в течение 5-10 минут при температуре 10÷60°С и гидромодуле 25÷200 в условиях кавитационного воздействия в роторном кавитационном аппарате. Частота вращения ротора 3000 об/мин. Отделяют жидкую фазу. Выделяют гуминовые кислоты из жидкой фазы при подкислении минеральной кислотой до рН 2. Изобретение позволяет интенсифицировать технологический процесс, уменьшить продолжительность обработки торфа, увеличить выход продукта до 54% от массы торфа. 4 табл.
Изобретение относится к торфяной промышленности и сельскому хозяйству и может быть использовано для получения поверхностно-активных веществ, стимуляторов роста растений и гуминовых удобрений на основе торфа, наполнителей химически стойких пластмасс, ионно-обменных смол, буровых реагентов.
Агрохимическая ценность торфа определяется в основном его органической частью (гуминовые и фульвокислоты). Однако вследствие малой доступности органического вещества исходный торф слабо проявляет свойства удобрения. Активатором органического вещества торфа могут быть водные растворы щелочей и аммиака, которые извлекают гуминовые вещества в виде водорастворимых гуматов [Орлов Д.С. Гуминовые вещества в биосфере. // Соросовский образовательный журнал. - 1997. - №2. - С.56-63].
Известен способ получения гуминовых кислот из бурого угля, включающий обработку угля раствором щелочи, низкочастотными акустическими колебаниями и кавитирующими вибрационными струями в устройстве, содержащем корпус, приспособление для подвода и отвода взаимодействующих фаз, рабочие органы и вибровозбудитель [патент РФ №2042422, кл. А01N 61/00, 1995]. Недостатком известного способа является сложность технологического процесса.
Известен способ получения оксигуматов из торфа путем окисления пероксидом водорода в водном растворе щелочи при температуре 60°С в роторном кавитационном аппарате с частотой вращения ротора 3000 об/мин в течение 30-75 минут. [Патент РФ №2370478, кл. C05F 11/02, 2009] (прототип). Недостатками данного способа являются: двустадийность (стадия предобработки и основной обработки), большая продолжительность обработки до 75 минут, использование в качестве окислителя малоустойчивого, жидкого окислителя - пероксида водорода.
Общим признаком для прототипа и заявляемого изобретения является обработка торфа в водно-щелочной среде в роторном кавитационном аппарате.
Предлагаемое изобретение отличается от прототипа тем, что обработку торфа ведут щелочными растворами или водным аммиаком при концентрации 0,5-1,0 моль/л при интенсивном механоакустическом воздействии в роторном кавитационном аппарате с частотой вращения ротора 3000 об/мин в течение 5-10 минут с температурой, не превышающей 60°С.
В предлагаемом изобретении недостатки прототипа устраняются следующим образом. Использование интенсивной механоакустической обработки торфа высокочастотным гидродинамическим ударом совместно с водным раствором основания при температуре 10-60°С позволяет интенсифицировать технологический процесс: уменьшить продолжительность обработки с 30-75 мин до 5-10 минут. Выход продукта увеличивается до 54% от массы торфа по сравнению с прототипом.
Сущность предлагаемого способа получения гуминовых кислот и гуматов заключается в том, что торф обрабатывают 0,5-1,0 молярными щелочными растворами или водным раствором аммиака в течение 5-10 минут в условиях механоакустического воздействия в роторном кавитационном аппарате с частотой вращения ротора 3000 об/мин, при температуре 10-60°С и гидромодуле 25÷200.
Заявляемое изобретение осуществляется следующим образом. Навеску исходного верхового или низинного воздушно-сухого торфа обрабатывают в роторном кавитационном аппарате с частотой вращения ротора 3000 об/мин в течение 5-10 минут, в 0,5-1,0 молярных водных растворах щелочей или аммиака, при температуре 10-60°С (термостат) в условиях кавитационной обработки при гидромодуле 25÷200. Охлажденную реакционную смесь выгружают и центрифугированием отделяют жидкую фазу (целевой продукт) от твердого остатка. Подкисляя серной или иной протонной кислотой жидкую фазу до рН 2, оделяют выделившиеся гуминовые кислоты центрифугированием или фильтрованием. Продукт отмывают от анионного остатка кислоты. Гуминовые кислоты сушат при 80°С, доводя вес до постоянной массы. Выход гуминовых кислот определен гравиметрическим методом. Для сравнения количество гуминовых кислот определяют в исходном торфе экстракцией 0,1 молярным щелочным раствором или раствором аммиака.
Пример 1. Навеску исходного верхового торфа влажностью 12,52% массой 0,01 кг обрабатывают в роторном кавитационном аппарате с частотой вращения ротора 3000 об/мин раствором аммиака концентрацией 0,03 моль/л. Обработку проводят при гидромодуле 1:200 в течение 5 минут при 60°С (термостат) с последующим разделением смеси центрифугированием, отделяя жидкую фазу (целевой продукт) от твердого остатка. Подкисляют жидкую фазу серной кислотой до рН 2 (для осаждения гуминовых кислот) и центрифугированием (или фильтрованием) отделяют гуминовые кислоты от кислого фильтрата. Продукт отмывают от сульфат-иона. Гуминовые кислоты сушат при 80°С, доводя вес до постоянной массы. Выход гуминовых кислот определен гравиметрическим методом. Для сравнения определяют количество гуминовых кислот в исходном торфе экстракцией щелочным раствором или раствором аммиака концентрацией 0,1 моль/л.
Примеры 2-7 проведены в условиях, аналогичных примеру 1, но при различной концентрации водного аммиака (табл.1). Максимальный выход гуминовых кислот (43%) наблюдается при концентрации водного аммиака в 1,0 моль/л, которая выбрана в качестве оптимальной. Примеры 8-12 проведены в условиях, аналогичных примеру 6, но при различном гидромодуле (соотношение раствор: торф) (табл.2).
| Таблица 1. | ||
| Влияние концентрации водного раствора аммиака на выход гуминовых кислот в условиях кавитационной обработки* | ||
| Пример | Концентрация раствора аммиака, моль/л | Выход гуминовых кислот, в % от массы торфа |
| Исходный торф | - | 19,9 |
| 1 | 0,03 | 9,4 |
| 2 | 0,1 | 18,6 |
| 3 | 0,3 | 27,6 |
| 4 | 0,5 | 33,0 |
| 5 | 0,7 | 31,4 |
| 6 | 1,0 | 43,0 |
| 7 | 1,5 | 29,9 |
| * Продолжительность кавитационной обработки - 5 мин, температура - 60°С, гидромодуль 1÷200. |
| Таблица 2. | ||
| Влияние гидромодуля на выход гуминовых кислот при окислении торфа в водном растворе аммиака в условиях кавитационной обработки* | ||
| Пример | Гидромодуль | Выход гуминовых кислот, в % от массы торфа |
| Исходный торф | - | 19,9 |
| 6 | 200 | 43,0 |
| 8 | 25 | 43,3 |
| 9 | 50 | 37,2 |
| 10 | 100 | 44,4 |
| 11 | 400 | 28,8 |
| 12 | 800 | 26,4 |
| * Продолжительность кавитационной обработки - 5 мин, температура - 60°С, концентрация водного раствора аммиака 1,0 моль/л. |
Оптимальным гидромодулем процесса является соотношение раствор: торф равное 1:100, которое выбрано для дальнейшего проведения технологического процесса. Примеры 13-16 проведены в условиях, аналогичных примеру 10, но при различной продолжительности кавитационной обработки (табл.3).
| Таблица 3. | ||
| Влияние продолжительности механоакустического воздействия на выход гуминовых кислот при окислении торфа в водном растворе аммиака в условиях кавитационной обработки* | ||
| Пример | Продолжительность кавитационной обработки, мин | Выход гуминовых кислот, в % от массы торфа |
| Исходный торф | - | 19,9 |
| 10 | 5 | 44,4 |
| 13 | 2 | 17,5 |
| 14 | 10 | 50,3 |
| 15 | 15 | 43,7 |
| 16 | 20 | 34,1 |
| * Концентрация водного раствора аммиака 1,0 моль/л, температура - 60°С, гидромодуль 1÷100. |
При продолжительности кавитационной обработки торфа в водном растворе аммиака 10 мин наблюдается максимальный выход гуминовых кислот (табл.3).
Примеры 17-19 проведены в условиях, аналогичных примеру 14, но с использованием различных оснований (табл.4). Наибольшие выходы гуминовых кислот наблюдаются при использовании NaOH, КОН и водного аммиака (табл.4).
| Таблица 4. | ||
| Влияние природы основания на выход гуминовых кислот при окислении торфа в условиях кавитационной обработки* | ||
| Пример | Тип основания | Выход гуминовых кислот, в % от массы торфа |
| Исходный торф | - | 19,9 |
| 17 | LiOH | 38,4 |
| 18 | NaOH | 53,8 |
| 19 | KOH | 52,4 |
| 14 | NH3·H2O | 50,3 |
| * Продолжительность кавитационной обработки - 10 мин, температура - 60°С, концентрация основания 1,0 моль/л, гидромодуль 1÷100. |
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, отделении жидкой фазы, отличающийся тем, что 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.
