Торфяной гранулированный мелиорант для рекультивации земель, загрязненных тяжелыми металлами
Владельцы патента RU 2774431:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уральский государственный горный университет" (RU)
Изобретение относится к сельскому хозяйству. Торфяной гранулированный мелиорант для очистки земель от тяжелых металлов характеризуется тем, что содержит верховой нейтрализованный торф, диатомит и вермикулит, при следующем соотношении исходных компонентов в смеси, мас.%: торф - 60, диатомит - 30, вермикулит - 10, причем полученная смесь гранулируется, при этом гранулы соответствуют следующим характеристикам: насыпная плотность, кг/м3 - 600-640, удельная площадь поверхности, м2/кг - 0,7-0,75. Изобретение позволяет рекультивировать техногенные грунты урбанизированных, промышленных и сельскохозяйственных территорий, загрязненных преимущественно тяжелыми металлами, и улучшить агрофизические свойства почв. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 5 табл., 1 пр.
Изобретение относится к охране окружающей среды, техническое решение которого относится к области получения композиций на основе материалов природного растительного происхождения и может быть использовано для очистки техногенных грунтов и почв от тяжелых металлов.
Известен органический минеральный модификатор, который получают из торфа, перлита, вермикулита, известняка, вулканического пепла, кремнезема, листьев персика и ксантия сибирского [Пат. CN 106590679 A, 26.04.2017].
Недостатком данного модификатора является сложность его производства, и его экономическая эффективность ограничена территориями вблизи расположения всех необходимых компонентов.
Известен кондиционер для почвы с функцией минерального композитного удобрения содержащий, мас. %: 20 цеолита, 10 фосфатной породы, 20 природного апатита, 20 эльвана, 20 торфа и 10 доломита [Пат. KR 100787020 B1, 18.12.2007].
Известен способ получения гранулированного калийно-магниевого удобрения, который включает смешивание калийно-магниевого компонента со связующим, гранулирование смеси с нанесением глинистого компонента, ее сушку и отделение фракции продукта размером более 1 мм. Причем в качестве калийно-магниевого компонента берут смесь измельченной до размера 1,0-2,0 мм природной каинито-лангбейнитовой руды и порошкового хлорида калия, связующего берут 6-9 % от массы смеси, смешивание калийно-магниевого компонента со связующим осуществляют в процессе гранулирования, гранулирование ведут на протяжении 0,2-2,0 мин при механическом перемешивании, а глинистый компонент для нанесения на гранулы берут из внутренних слоев каинито-лангбейнитовой руды за счет интенсивного механического перемешивания смеси сибирского [Пат. UA 73659 U, 10.10.2012].
Известен состав кондиционера почв и способ его изготовления содержащий диатомит и янтарную кислоту при следующем соотношении компонентов, мас.%: диатомит 85-90, янтарная кислота 15-10. Для изготовления состава кондиционера почв предварительно обжигают диатомитовую крошку при температуре 700-900°С. После чего наносят на крошку раствор янтарной кислоты. Затем обработанные гранулы перемешивают в течение 15-20 минут в грануляторе при частоте оборотов от 30 до 40 Гц при наклоне чаши от 40 до 50° до момента исчезновения комочков и влажных зон. После этого гранулы просушивают при температуре от 15 до 25°С, распределив их тонким слоем на ровной, сухой и чистой поверхности [Пат. RU 2649634 C1, 19.07.2017].
Известен способ мелиорации почв, загрязнённых тяжёлыми металлами, включающий внесение на поверхность почвы мелиоранта, перемешивание его с мелиорируемым слоем почвы и выращивание сельскохозяйственных культур с соблюдением зональной агротехники. При этом периодом внесения мелиорантов является август-сентябрь, а глубина заделки мелиоранта 10-12 см. Затем производится отвальная вспашка на глубину 25-30 см. В качестве мелиорантов используют известняковую муку, фосфоритную муку, суперфосфат, сульфид натрия, низинный торф в оптимальных дозах. Способ позволяет снизить подвижность тяжелых металлов (свинца и кадмия) в почве на 20-60% и их содержание в растениеводческой продукции ниже уровня ПДК, дополнительно повышается почвенное плодородие и урожайность сельскохозяйственных культур [Пат. 2597172 C2, 01.12.2014].
Известен состав для рекультивации почв содержащий торф, песок, золу сжигания осадка сточных вод и семена многолетних морозостойких растений при следующем соотношении компонентов, мас.%: зола сжигания осадка сточных вод - 10,0-14,0, торф - 43,0-81,0, песок - 8,6-45,0, семена многолетних морозостойких растений – остальное. В качестве растений используются клевер луговой или райграс пастбищный [Пат. 2711925 C1, 03.04.2019].
Известен состав для детоксикации почв, загрязненных преимущественно мышьяком, который может быть использовано при рекультивации земель, загрязненных мышьяком и другими элементами с переменной степенью окисления, проявляющими в почве как окислительные, так и восстановительные свойства и легко переходящими из катионной формы в анионную и обратно. Состав для детоксикации почв, загрязненных преимущественно мышьяком, включает диатомит, обработанный Fe3+, и голубую глину при следующем соотношении компонентов, вес. %: диатомит, обработанный Fe3+ - 50-60, голубая глина - 40-50. Состав снижает содержание подвижных форм мышьяка в почве на 87% и поддерживает в почве оптимальный pH - 7,4 [Пат. RU 2471849, 13.07.2011].
Перечисленные изобретения имеют ряд существенных недостатков: сложный состав и сложность его производства в промышленных масштабах. Кроме того, в изобретениях используется осадок сточных вод, состав которого является непостоянным и может принести дополнительный вред окружающей среде, а энергозатраты на его сжигание, отрицательно сказываются на его конечной стоимости. Данные композиции являются дорогостоящими, не производятся серийно, и поэтому их использование с целью детоксикации экономически нецелесообразно.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является торфяной мелиорант для очистки земель от тяжелых металлов, фракцией 0-10 мм, содержащий торф верховой нейтрализованный, диатомит и вермикулит при следующем соотношении компонентов в смеси, мас.%: торф - 60, диатомит - 30, вермикулит – 10 [Пат. RU 2745456, 03.09.2020].
Недостатком изобретения является более низкая сорбционная емкость по отношению к некоторым тяжелым металлам в сравнении с предлагаемым изобретением.
Целью предлагаемого изобретения является рекультивация техногенных грунтов урбанизированных, промышленных и сельскохозяйственных территорий загрязненных преимущественно тяжелыми металлами (As, Pb, Cd, Cu, Cr+3, Cr+6) и улучшение агрофизических свойств почв за счет использования смеси в виде гранулированного мелиоранта на основе верхового торфа с низкой степенью разложения и добавлением диатомита и вермикулита.
На Фиг. 1а представлено фото мелиоранта с камеры, Фиг. 1б представлено фото, сделанное при помощи электронного микроскопа SNE-4500M. На фиг. 2 (диатомит) и фиг. 3 (вермикулит) представлены фотографии составляющих мелиоранта, выполненные при помощи камеры и микроскопа.
В качестве исходного сырья для производства мелиоранта используется:
1. Торф верховой нейтрализованный, фракционированный (фракция 0-20). Влажность торфа от 50 до 60 %, водородный показатель водной вытяжки (рН) 5,5 – 6,0. Верховой нейтрализованный торф готовится из верхового торфа низкой степени разложения. Степень разложения верхового торфа не превышает 18 %, массовая доля влаги в нем составляет не более 60 %, зольность - менее 10 %. Основные неорганические соединения торфа: азот до 1,5 %, фосфор, калий, кальций (в сумме) до 0,6 %. Содержание гуминовых веществ в торфе составляет 7,4 - 7,9 %.
2. Диатомитовая мука (ТУ 5761-001-59266087-2005) соответствует следующим параметрам (табл. 1, Фиг. 2).
Таблица 1
Химический состав диатомитовой муки
| Наименование показателя | Значение показателя |
| Содержание SiО2 | Не менее 82% |
| Содержание А12О3 | Не более 7% |
| Содержание Fe2О3 | Не более 4% |
| Влажность | Не более 8% |
| Потери при прокаливании | 2,5% - 3,0% |
3. Вермикулит (фракция 1-3 мм). Вермикулит - минерал из группы гидрослюд, при термической обработке превращающийся в сыпучий чешуйчатый материал. Вермикулит улучшает структуру почвы, поглощает избыточную влагу, разрыхляет и повышает воздухопроницаемость грунта. Является отличным дренажным и мульчирующим материалом. Широко применяется в комнатном, приусадебном и сельскохозяйственном растениеводстве (Фиг. 3).
Химический состав вермикулита представлен в табл. 2.
Таблица 2
Химический состав вермикулита
| Компонент | Содержание | Компонент | Содержание |
| SiO2 | 38,0 – 49,0 % | TiO2 | 1,5 % |
| MgO | 20,0 – 23,5 % | Cr2O3 | 0 - 0,5% |
| Al2O3 | 12,0 – 17,5 % | MnO | 0,1 – 0,3 % |
| Fe2O3 | 5,4 – 9,3 % | Cl | 0 – 0,5 % |
| FeO | 0 – 1,2 % | CO2 | 0 – 0,6 % |
| K2O | 5,2 – 7,9 % | S | 0 – 0,2 % |
| Na2O | 0 – 0,8 % | H2O | 5,2 – 11,5 % |
| CaO | 0,7 – 1,5 % |
Торфяной гранулированный мелиорант может быть получен следующим образом:
Исходное сырье, торф фр. 0-20 мм, диатомитовая мука и вермикулит фр. 1-3 мм при следующем соотношении компонентов в смеси, мас. %: торф 60, диатомитовая мука 30, вермикулит 10, тщательно перемешивается и сушатся при температуре не более 80 оС до влажности не более 30%, после перечисленных процедур полученная композиция отправляется в пресс-гранулятор. На выходе получаются гранулы (фиг. 1) имеющие следующие характеристики:
Таблица 3
Характеристики гранулированного торфяного мелиоранта
| Мелиорант | Насыпная плотность, кг/м3 | Удельная площадь поверхности, м2/кг | Цвет | Влажность, % | pH |
| ТДВгр | 600-640 | 0,7-0,75 | Светло-коричневый | 12-15 | 7,0-7,5 |
Пример:
В качестве примера были проведены лабораторные эксперименты с искусственно загрязнённой суглинистой почвой следующими концентрациями ионов тяжелых металлов, табл. 4:
Таблица 4
Степень загрязнения экспериментальных образцов
| Валовая концентрация тяжелых металлов в грунте, мг/кг | |||||
| As | Cu | Cd | Pb | Cr+3 | Cr+6 |
| 16 | 100 | 15 | 140 | 7 | 5 |
Результаты табл. 5 заявляемого изобретения сравнивали с прототипом:
Анализы образцов проводили с помощью рентгенофлуоресцентного кристалл-дифракционного сканирующего спектрометра «СПЕКТРОСКАН МАКС G».
Таблица 5
Результаты экспериментов
| Сорбент | Процент извлечения ТМ сорбентом (А, %) | |||||
| As | Cu | Cd | Pb | Cr+3 | Cr+6 | |
| ТДВгр* | 79 | 55 | 100 | 100 | 36 | 57 |
| ТДВнгр** | 46 | 62 | 39 | 63 | 49 | 23 |
ТДВгр - Торф/диатомит/вермикулит гранулированный*. ТДВнгр - Торф/диатомит/вермикулит не гранулированный (Пат. RU 2745456, 03.09.2020)**.
В результате образцы заявляемого изобретения под шифром ТДВгр как видно из табл. 5 показали наилучшую степень сорбции по следующим тяжелым металлам: As, Cd, Pb, Cr+6, что говорит о соответствии заявляемого изобретения критериям «новизна» и «изобретательский уровень», т.к. для специалиста в данной области неочевидно, что грануляция данной композиции в сравнении с прототипом увеличит степень извлечения определенных тяжелых металлов из исследуемых грунтов.
Ряд проведенных экспериментов показал высокую эффективность торфяного гранулированного мелиоранта для рекультивации техногенных грунтов урбанизированных, промышленных и сельскохозяйственных территорий, загрязненных тяжелыми металлами такими как: As, Pb, Cd, Cu, Cr+3, Cr+6. Кроме того, производство мелиоранта не требует сложных энергозатратных технологий, что положительно сказывается на экономической составляющей изобретения.
1. Торфяной гранулированный мелиорант для очистки земель от тяжелых металлов, характеризующийся тем, что содержит верховой нейтрализованный торф, диатомит и вермикулит, при следующем соотношении исходных компонентов в смеси, мас.%:
торф - 60,
диатомит - 30,
вермикулит - 10,
причем полученная смесь гранулируется, при этом гранулы соответствуют следующим характеристикам:
насыпная плотность, кг/м3 - 600-640,
удельная площадь поверхности, м2/кг - 0,7-0,75.
2. Торфяной гранулированный мелиорант по п. 1, отличающийся тем, что диатомит используется в виде диатомитовой муки.
3. Торфяной гранулированный мелиорант по п. 1, отличающийся тем, что размер фракций верхового нейтрализованного торфа составляет не более 20 мм.
