СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ПОГЛОЩЕНИЯ ВЕРМИКУЛИТОМ ИОНОВ АММОНИЯ, ПОГЛОЩАЮЩИЙ МАТЕРИАЛ, ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ И СПОСОБЫ УДАЛЕНИЯ АММОНИЯ ИЗ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
METHOD OF INCREASING ABSORPTION OF AMMONIUM IONS WITH VERMICULITE, ABSORBENT MATERIAL, USE THEREOF AND METHOD OF REMOVING AMMONIA FROM ENVIRONMENT

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу улучшения поглощения вермикулитом ионов аммония, новому поглощающему материалу, его применению и способу удаления ионов аммония из окружающей среды, описанным в преамбулах независимых пунктов формулы изобретения, представленной ниже.
Уровень техники
+
2+
A
2+
3+
O
T
T
A
+
+
+
+
2+
2+
2+
2+
2+
2+
2+
3+
3+
3+
0,45-0,75
5-6
8
20
4
2
4
Вермикулит представляет собой пластинчатый алюмосиликат из группы гидрослюды, принадлежащей к моноклинной кристаллической системе. В природе вермикулит образуется под влиянием атмосферных воздействий или гидротермального процесса за счет слюды. Упрощенная общая химическая формула вермикулита может быть выражена как (М,М) M(Y,Y) [(Al, Si)O](OH) 8×HO, в которой структурные сайты обозначены буквами А, О и Т. А означает промежуточный слой, О - удвоенный октаэдрический координированный сайт, а Т - структурообразующий тетраэдрический координированный сайт. Более того, в общей формуле Мозначает в основном катион К, Na или NH , а Мозначает катион, обычно Mg. Иногда в сайте А могут присутствовать небольшие количества катионов Саи Ва. Mgи Feзанимают Y-позиции, Feи Alзанимают Y-позиции.
В структуре вермикулита сайты О и Т следуют один за другим в соотношении 1:2, образуя слоистую структуру с промежуточным слоем между каждыми двумя одинарными Т-О-Т-последовательностями. Схематическое изображение слоистой структуры вермикулита представлено на фиг.1.
002
Во всех структурных единицах вермикулита обычно происходят изоморфные замещения. Размер промежуточного слоя в направлении С, обычно измеряемый в виде основного пространственного расстояния Cd, варьируется в зависимости от размещения катиона в промежуточном слое. В зависимости от межплоскостного расстояния различные катионы предпочтительно занимают промежуточный слой структуры вермикулита. Ионы магния, обычно занимающие большую часть сайтов промежуточного слоя, могут быть замещены, например, ионами калия, натрия, рубидия, кальция, бария или аммония. Кристаллическая структура также может иметь вакансии. В промежуточном слое могут происходить реакции гидратации-дегидратации.
002
2
2
6
2
В промежуточном сайте структуры вермикулита могут также находиться водные слои. Псевдогексагональные кольца в удвоенном тетраэдрическим сайте координированы ОН-группами. Во время нагревания до температуры приблизительно 1100°С вермикулит дегидратируется и расслаивается. Во время нагревания необработанный вермикулит проходит через пять дискретных структурных трансформаций, вызываемых ступенчатой дегидратацией вермикулита. Каждая стадия дегидратации соответствует сокращению размеров решетки кристалла вермикулита, например, измеряемых в виде Cd. Первые три стадии дегидратации являются обратимыми, при этом вторая и третья стадии дегидратации происходят при температурных интервалах, составляющих 190-280°С и 300-440°С соответственно. Последние две стадии дегидратации/дегидроксилирования являются необратимыми, приводя к последующему разложению вермикулита до талька и, далее, до энстатита MgSiO. Во время первых трех стадий из решетки выделяется HO, однако во время последних двух стадий из решетки выделяется ОН. Обратимо дегидратированный вермикулит может быть гидратирован опять в водный раствор, при этом сжатая решетка вновь расширяется до исходного состояния.
Известно, что вермикулит обладает способностью включать в свою структуру аммоний. Однако коммерчески доступные расширенные вермикулиты и содержащие вермикулит продукты поглощают аммоний недостаточно активно для того, чтобы они могли быть использованы для коммерческого удаления ионов аммония из среды.
В природе ионы аммония выполняют функцию питательного вещества. Поэтому удаление избытка ионов аммония, например, из сточной воды, до ее возвращения в окружающую среду, для того чтобы избежать эвтрофикации, является важным. Целесообразной является разработка поглощающего материала, способного быстро поглощать относительно большие количества ионов аммония. Также целесообразной является разработка поглощающего материала, который может быть использован и после поглощения аммония, вместо выбрасывания его в виде отходов.
Задачи и сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является сведение к минимуму или даже полное устранение вышеупомянутых проблем.
Таким образом, задачей изобретения является разработка способа улучшения способности вермикулита абсорбировать ионы аммония.
Другой задачей настоящего изобретения является разработка поглощающего материала, эффективно связывающего ионы аммония, нейтрализуя их в кристаллической структуре.
Для достижения вышеупомянутых задач настоящее изобретение отличается тем, что описано в отличительной части независимых пунктов формулы изобретения, представленной ниже.
Типичный способ улучшения поглощения вермикулитом аммония согласно данному изобретению включает нагревание необработанного вермикулита до температуры, при которой происходит третья стадия дегидратации вермикулита, при этом используемая температура ниже температуры, при которой происходит четвертая стадия дегидратации/дегидроксилирования вермикулита.
Согласно данному изобретению вермикулит, полученный в соответствии с настоящим изобретением, обычно используют в качестве поглотителя аммония.
Согласно данному изобретению типичный поглощающий материал включает вермикулитный материал и добавки, при этом вермикулитный материал включает по меньшей мере 50% вермикулита, обработанного на третьей стадии дегидратации, но не на четвертой стадии дегидратации/дегидроксилирования.
Типичный способ удаления аммония из окружающей среды согласно данному изобретению включает смешивание поглощающего материала в соответствии с настоящим изобретением с окружающей средой, такой как почва, газ, сточные воды, а затем предоставление возможности поглощающему материалу взаимодействовать с такой средой с целью удаления ионов аммония до желаемого уровня.
Подробное описание изобретения
К удивлению было обнаружено, что при нагревании вермикулита до температуры, при которой происходит третья стадия дегидратации вермикулита, кристаллическая структура вермикулита становится оптимальной для поглощения ионов аммония. Точная температура третьей стадии дегидратации может быть определена, например, при помощи термогравиметрического анализа, TG, хорошо известного специалисту в данной области техники. Интервал температур, при котором происходит третья структурная трансформация, может быть различным для различных видов вермикулита. Согласно данному изобретению температура нагревания ниже температуры, при которой происходит четвертая стадия дегидратации вермикулита, таким образом позволяя избежать образования неэффективного вермикулитного материала.
002
002
002
Частицы вермикулита, получаемые согласно настоящему изобретению, обладают явно повышенной способностью поглощать ионы аммония из окружающей среды, например из сточной воды, по сравнению с полученными известными способами расслоенными вермикулитами. Предположительно, без связывания теорией, при нагревании вермикулита до температуры, при которой происходит третья стадия дегидратации, межплоскостное расстояние вермикулита, т.е. основное пространственное расстояние, Cd, снижается до величины, составляющей 9,9-10,5 Å. Когда такому вермикулиту затем дают регидратироваться в богатой аммонием среде, кристаллическая решетка минерала вновь расширяется до первоначального насыщенного водой состояния. Во время процесса регидратации ширина промежуточного слоя увеличивается, приближаясь к 14,4 Å, т.е. приблизительно к ширине промежуточного слоя исходного гидратированного вермикулита. Структура обычно стабилизируется в интервале Cd, составляющем 11,4-11,8 Å. Во время такого расширения ширина промежуточного слоя проходит через промежуточную величину Cd = 11,24 Å. Данная величина является теоретически оптимальной для поглощения молекул аммония с позиций прямого катионного обмена в промежуточном слое структуры решетки вермикулита. Следовательно, как число молекул аммония, поглощенных кристаллической решеткой вермикулита, так и скорость поглощения аммония относительно частиц вермикулита, нагреваемых согласно настоящему изобретению, повышается. Таким образом, ионы аммония эффективно и обратимо связываются в кристаллической структуре вермикулита, полученного согласно настоящему изобретению.
002
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения нагревание осуществляют до температуры, при которой межплоскостное расстояние вермикулита Cd составляет 9,9-12 Å, предпочтительно 10-11,5 Å, более предпочтительно 10-11,2 Å. Межплоскостное расстояние вермикулита может быть определено при помощи дифракции рентгеновских лучей, известной специалисту в данной области техники.
Вермикулит, используемый согласно настоящему изобретению, может иметь естественное происхождение или может быть получен синтетическим способом. В качестве исходного материала может быть использован концентрат необработанного натурального вермикулита. Согласно одному из предпочтительных вариантов вермикулиты, используемые в данном изобретении, представляют собой вермикулиты, содержащие намного больше катионов магния, чем других катионов, либо содержащие почти одни катионы магния в промежуточном слое, при этом оставшиеся вакансии в нем свободны. Могут быть также использованы богатые магнием вермикулиты с небольшим количеством замещений катионами калия в промежуточном слое. При анализе содержание калия обычно составляет 0,1-2,7 мас.%. Способность вермикулита поглощать аммоний снижается в том случае, когда содержание калия в промежуточном слое становится, как показывает анализ, значительным, обычно 4-5 мас.% или выше.
Согласно другому варианту настоящего изобретения нагревание осуществляют в температурном интервале, составляющем 300-460°С, как правило, 350-460°С, иногда 380-450°С, обычно 400-460°С, более обычно 420-460°С, предпочтительно 420-440°С. В некоторых вариантах нагревание осуществляют при температурном интервале, составляющем 405-455°С, обычно 410-445°С, даже 415-440°С.
Согласно одному из вариантов данного изобретения загрязняющие примеси удаляют из необработанного концентрата вермикулита до нагревания. Загрязняющие примеси, имеющие магнитный характер, например оксиды железа, могут быть удалены при помощи способа, основанного на магнитной восприимчивости.
Отсутствует необходимость измельчения, например, путем дробления необработанных частиц вермикулита до термической обработки. Частицы любого выпускаемого для коммерческих целей размера могут быть обработаны согласно настоящему изобретению. Размер частиц обрабатываемого вермикулита может варьироваться от 10 мкм до 5 см. Согласно другому варианту осуществления данного изобретения необработанный вермикулит измельчают до размера частиц или зерен, составляющего 200 мкм - 4 мм до нагревания, предпочтительно до размера зерен, составляющего 1-4 мм до нагревания.
Согласно настоящему изобретению для получения оптимальных параметров кристаллов в вермикулитном материале химической обработки не требуется. Таким образом, поглощающий материал согласно настоящему изобретению может быть получен всего лишь путем использования описанной термической обработки без каких-либо стадий химического процесса.
Согласно одному из вариантов осуществления данного изобретения такой поглощающий материал включает вермикулитный материал и добавки. В качестве добавки может быть использован песок или коммерческий расслоенный вермикулит либо другой подходящий нереакционноспособный материал. Поглощающий материал включает по меньшей мере 20 мас.%, обычно по меньшей мере 40 мас.%, более обычно по меньшей мере 50 мас.%, иногда даже более 70 мас.% вермикулитного материала, обработанного на третьей стадии дегидратации, но не четвертой стадии дегидратации.
Небольшой размер зерен обеспечивает наличие большой площади поверхности для быстрых реакций во время нагревания, а также для быстрых реакций во время поглощения аммония. Большая поверхность площади также обеспечивает наличие большей площади, доступной для реакций. Однако предпочтительно, чтобы размер зерен был достаточно большим, для предотвращения аморфикации и агломерации. Согласно одному из вариантов окружающую среду, с которой смешивают поглощающий материал, нагревают во время удаления ионов аммония. Окружающая среда может быть нагрета, например, до 50°С.
Согласно одному из вариантов осуществления данного изобретения реакции поглощения аммония отводят для завершения 2-48 часов. Поскольку вермикулит согласно данному изобретению имеет оптимальную структуру решетки для поглощения ионов аммония, реакция поглощения протекает очень быстро. Эффективность такой реакции может быть повышена путем перемешивания. Скорость реакции поглощения зависит от среды, в которой ее осуществляют, а также от концентрации ионов аммония в среде. Предполагается, что реакция поглощения может быть почти полностью завершена в течение 1 или 2 часов после добавления вермикулита.
Удаление аммония предпочтительно осуществляют при рН 2-9, обычно при рН 4-7,5, наиболее обычно при рН 6-7,5.
4
4
+
+
Поглощающий материал согласно данному изобретению может быть использован для поглощения и удаления ионов аммония в различных средах. Он может быть использован для удаления ионов NH из промышленных, сельскохозяйственных или бытовых сточных вод либо из других NH -содержащих сред, таких как газы. Он может быть также использован для аммониевого ионного обмена или для поглощения в промышленных и научных целях.
4
+
Поглощающий материал, получаемый согласно настоящему изобретению, также может быть использован для очистки отработанных газов и газов на промышленных установках, таких как установки по сжиганию мусора и т.д., путем абсорбции ионов NH из газов.
Поглощающий материал также может быть использован в качестве защитного материала в потенциально опасных видах промышленности, таких как заводы по производству аммиака и хлорида аммония. Он также может быть использован в цистернах для перевозки аммиака в виде контейнеров с двойной герметизацией, наружные стороны которых заполнены поглощающим материалом. В случае опасных утечек аммиака поглощающий материал может быть использован в качестве быстрого и эффективного поглотителя, имеющегося в большом количестве.
4
+
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения поглощающий материал согласно данному изобретению может быть использован также для поглощения образующегося из мочевины NH путем использования его в качестве компонента песка для кошек или в качестве поглощающего материала в мобильных туалетах или т.п.
4
4
+
+
Согласно одному из интересных вариантов поглощающий материал может быть использован для удаления ионов NH  из фильтрационных вод полей и лесов с внесенными в них удобрениями, часто перенасыщенными аммонием. Таким образом, поглощающий материал может быть использован в качестве кондиционера для почвы, стабилизирующего количество свободного NH на полях и/или в лесах, удобренных аммонием.
Поглощающий материал согласно настоящему изобретению также может быть использован в качестве нейтрализующего аммоний вещества в фильтровальных установках, для очистки загрязненной аммонием воды или подземной воды, равно как и в высокотехнологичном химическом производстве, для осуществления ионного обмена аммония. Кроме того, насыщенный аммонием поглощающий материал может быть использован в качестве удобрения для почв, а также для их кондиционирования.
Вермикулит, полученный согласно настоящему изобретению, предпочтительно хранят в герметичном, водонепроницаемом контейнере, для того чтобы свести к минимуму регидратацию обработанного вермикулита.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения вермикулитный материал, обработанный согласно данному изобретению, может быть также использован для удобрения полей, тепличных плантаций, питомников, рассадочных грядок, лесов или т.п. Как упомянуто выше, подвергнутый термической обработке вермикулит согласно настоящему изобретению очень эффективно поглощает ионы аммония. Однако такие ионы не связываются необратимо со структурой вермикулита, а медленно высвобождаются из нее, например, при подходящих условиях температуры и влажности благодаря влиянию на вермикулит атмосферных воздействий, его микробиологической активности, ионному обмену и т.д. Вермикулитный материал, полученный согласно настоящему изобретению, может быть смешан с добавкой, такой как аммоний, и такой материал с добавкой может быть использован в качестве азотного удобрения для различных растений или в качестве кондиционера для почвы. Вермикулит с добавкой смешивают, например, с основой для выращивания или рассевают в лесу. В нормальных условиях влажности почвы аммоний медленно высвобождается из структуры вермикулита и становится доступным для биологических процессов в растениях.
В соответствии с одним из вариантов поглощающий материал согласно данному изобретению может быть использован для очистки богатых аммонием потоков или отработанных газов. После выполнения своей поглощающей функции богатый аммонием поглощающий материал может быть удален из процесса очистки и вновь использован в качестве азотного удобрения. Это снижает количество отходов, образующихся в процессах удаления аммония, и позволяет целесообразно использовать удаленный аммоний.
Обычно размер частиц вермикулитного материала, к которому добавляют аммоний с целью удобрения, составляет 0,5-10 мм, обычно 0,75-5 мм, предпочтительно 1-3 мм. Обычно содержание аммония в вермикулите, к которому он добавлен, составляет приблизительно от 1 до 3 мас.%.
ПРИМЕРЫ
ПРИМЕР 1
Предварительная обработка образцов
Вермикулиты, используемые в данном эксперименте, представляют собой промышленные концентраты вермикулитной руды, коммерчески доступные в больших количествах. Такие концентраты могут содержать различные количества загрязняющих примесей.
Подготовку образцов начинают с удаления загрязняющих примесей из рудного концентрата путем ручной породоотборки. Затем рудный концентрат измельчают при помощи ножевой дробилки при комнатной температуре. Измельчение осуществляют сухим способом. Измельченные образцы просеивают, получая образцы с размером зерен, составляющим 75-125 мкм, используемые во всех экспериментах.
При необходимости загрязняющие примеси дополнительно отделяют от измельченных образцов при помощи изодинамического сепаратора Франца, разделение в котором основано на магнитной восприимчивости.
Термическая обработка образцов
Образцы, включающие измельченные и просеянные зерна вермикулита, нагревают в камерной печи Линдберга до температур, составляющих до 1100°С, или в муфельной печи Heraeus до температур, составляющих до 1500°С. После термической обработки образцы охлаждают в эксикаторе, содержащем силикагель.
Подготовка образца
4
+
1 или 2 грамма образца вермикулита помещают в 100- или 200-мл бутылку и добавляют раствор, содержащий 10000 млн д. NH . Бутылки герметично закрывают и выдерживают в течение 24 или 48 часов при температуре, составляющей 20°С. После этого избыток аммония удаляют с поверхностей зерен, дважды промывая образец вермикулита 100 мл деионизированной воды. Затем образец сушат в печи при температуре, составляющей 40°С, в течение 24 часов. Подготовленные образцы хранят в пластиковых, воздухонепроницаемых ампулах.
Анализ образцов
14
14
Образцы анализируют методом анализа с использованием индуцированной частицами гамма-лучевой эмиссии (PIGE). образцы облучают 4,2 MeV протонным лучом в атмосфере Не, при этом переходы в ядре атома вызывают γ-радиацию. Излучаемую радиацию измеряют при помощи детектора HPGe, а полученный спектр анализируют с использованием программы SAMPO 90 для анализа гамма-спектра. Для определения концентрации азота используют γ-радиацию при 2313 keV с реакцией перехода N(p,p'γ)N.
Влияние температуры нагревания
на способность вермикулита поглощать аммоний
Образцы Mg-вермикулита, обозначенного как KDR, обрабатывают при различных температурах и сравнивают их способность поглощать ионы аммония. Результаты представлены в таблице 1.
Может быть сделан вывод о том, что поглощение ионов аммония вермикулитами, полученными согласно настоящему изобретению, безусловно повышается по сравнению с необработанным вермикулитом, не подвергнутым термической обработке. Поглощение аммония повышается почти в четыре раза по сравнению с поглощением традиционно подвергнутого термической обработке вермикулита. Количество аммония приведено в мас.% от общего содержания азота в вермикулитном материале.
Таблица 1
<b>Способность вермикулита, обработанного при различных температурах, поглощать аммоний</b>
Температура/°С
%-N
20
0,59
120
0,697
220
0,702
440
0,836
660
0,715
770
0,124
940
0,223
1150
0,118
В другом эксперименте различные виды необработанных и подвергнутых традиционной термической обработке вермикулитов сравнивают с вермикулитным материалом, подвергнутым термической обработке при различных температурах. Образцы номера 1-3 включают необработанный, сырой вермикулитный материал. Образцы вермикулита номера 4-7 подвергают термической обработке при различных температурах в течение 4 часов. Такие образцы включают коммерчески доступный расслоенный вермикулитный материал. рН образцов составляет около 7,1. Образцы вермикулитов VMP/KDR, Vermipu, Grace VXC и Palabora, использованные в экспериментах, имеют различные химические и структурные свойства. Результаты представлены в таблице 2.
Может быть сделан вывод о том, что термическая обработка при 410°С улучшает способность образцов вермикулита к поглощению аммония по сравнению с различными видами необработанных или коммерчески доступных вермикулитов или образцов, обработанных при других температурах. Количество аммония приведено в мас.% от общего содержания азота в вермикулитном материале.
Таблица 2
<b>Влияние температуры нагревания</b><b>на способность вермикулита поглощать аммоний</b>
# образца
Обработка, Т/°С
%-N
Вермикулитный материал
1
20
0,3
Необработанный вермикулит Grace VXC
2
20
1,1
Необработанный вермикулит VMP/KDR
3
20
0,6
Необработанный вермикулит Palabora
4
120
1,2
Вермикулит KDR
5
250
1,3
Вермикулит VMP/KDR
6
410
2,0-3,0
Вермикулит VMP/KDR
7
650
1,7
Вермикулит VMP/KDR
8
~1000
1,6
Расслоенный (в течение короткого времени) коммерческий Vermipu
9
~1000
1,1-1,3
Расслоенный коммерческий вермикулит Palabora
10
~1000
0,3
Расслоенный коммерческий вермикулит Grace VCX
Влияние продолжительности нагревания
на способность вермикулита поглощать аммоний
Образцы вермикулита нагревают при температуре, составляющей 420°С, и выдерживают при данной температуре в течение различных периодов времени для того, чтобы определить влияние продолжительности нагревания на способность вермикулита поглощать аммоний. Результаты представлены в таблице 3. Количество аммония приведено в мас.% от общего содержания азота в вермикулитном материале.
Таблица 3
<b>Влияние продолжительности нагревания</b><b>на способность вермикулита поглощать аммоний</b>
Т/мин
Потеря воды, мас.%
%-N
0
0
1,4
2
10
1,4
10
15
1,8
60
15
1,9
240
15
2,3
1440
15
2,6
Влияние рН на способность вермикулита поглощать аммоний
Была установлена способность необработанного и не подвергнутого термической обработке образца вермикулита поглощать ионы аммония при различных значениях рН. Результаты представлены в таблице 5.
Может быть сделан вывод о том, что рН не оказывает существенного влияния на способность необработанного вермикулитного материала поглощать ионы аммония, поскольку полученные результаты были относительно постоянными в рамках исследуемого диапазона рН. Что же касается подвергнутого термической обработке вермикулита, напротив, может быть сделан вывод о том, что рН оказывает влияние на способность вермикулита поглощать ионы аммония. Скорее всего, оптимальная величина рН составляет около рН 7.
Таблица 5
<b>Влияние рН на способность вермикулита</b><b>поглощать аммоний при 50</b>°<b>С</b>
Отсутствие термической обработки
Термическая обработка при 440°С
рН
%-N
рН
%-N
2,4
1,4
2,4
2,3
5,0
1,3
5,0
2,4
7,2
0,9
7,2
2,9
8,5
1,1
8,5
1,7
9,5
1,2
9,5
1,1
11,5
0,7
11,5
0,6
Влияние температуры воды и размера зерен
на способность вермикулита поглощать аммоний
Целью данного эксперимента является определение влияния температуры воды и размера зерен на способность подвергнутых термической обработке вермикулитов поглощать аммоний.
Для эксперимента используют Mg-вермикулиты, обозначенные как образцы CU и VMP/KDR. Было исследовано три различных диапазона размера зерен: <75 мкм, 75-125 мкм и 2-4 мм. Вермикулитные материалы подвергают термической обработке при температуре, составляющей 410°С.
Прежде всего, поглощение вермикулитами ионов аммония исследуют при температуре, составляющей 50°С и обеспечиваемой тепловой баней.
Сравнительные данные были получены в результате экспериментов, проводимых при температуре 20°С с использованием вермикулита, имеющего размер зерен 75-125 мкм. В таблице сравнительные примеры обозначены как сравнительный пример 1 и сравнительный пример 2.
Таблица 6
<b>Влияние нагревания и размера зерен</b><b>на способность вермикулита поглощать аммоний при 50</b>°<b>С</b>
Размер зерен
Вермикулитный материал
<75 мкм
75-125 мкм
2-4 мм
Образец CU
1,6%-N
1,8%-N
1,9%-N
Образец KDR
2,7%-N
2,7%-N
3,0%-N
Образец CU (сравнительный пример 1)
~1,5%-N
Образец KDR (сравнительный пример 2)
2,0-2,5%-N
Может быть сделан вывод о том, что повышение температуры несколько улучшает поглощающую способность обработанного вермикулита. Размер зерен не играет существенной роли в данном эксперименте, поскольку абсорбция происходит в течение 24 часов при используемом размере зерен.
ПРИМЕР 2
Поглощающий материал, полученный согласно настоящему изобретению, сравнивают с подвергнутым традиционной термической обработке вермикулитом для того, чтобы определить его способность удалять ионы аммония из сточной воды. Готовят четыре образца, обозначенные как А1, А2, С1 и С2, включающие поглощающий материал согласно данному изобретению, а также четыре сравнительных образца В1, В2, D1 и D2, включающие традиционно полученный расширенный вермикулит. Также готовят два слепых образца О1 и О2.
Вначале среднее содержание ионов аммония в используемой сточной воде составляло 1646 мг/л.
200 г поглощающего материала, имеющего размер частиц, составляющий 250-500 мкм, помещают в колбу и к нему добавляют 2100 мл сточной воды. Температуру поддерживают на уровне 50°С. Образцы хранят при перемешивании со скоростью 200 об./мин.
Сравнительные образцы получают подобным способом.
Образцы А1, А2, В1 и В2 хранят в закрытых колбах, а образцы С1, С2, D1 и D2 - в открытых колбах.
Результаты представлены на фиг.2. Может быть сделан вывод о том, что поглощение поглощающим материалом согласно настоящему изобретению ионов аммония из сточной воды явно более эффективно, чем поглощение ионов аммония известным вермикулитным материалом. В течение двух часов наблюдалось снижение содержания ионов аммония с 1600 мг/л до 850 мг/л коммерческим вермикулитом и до 600 мг/мл вермикулитом, полученным согласно данному изобретению.
ПРИМЕР 3
Эксперименты в теплице
Эксперименты в теплице были проведены с целью определения эффективности смешанного с аммонием вермикулита, подвергнутого термической обработке согласно настоящему изобретению, в качестве азотного удобрения.
Были использованы семена из следующих источников: ель - из Högseröd FP31 Assi Domän АВ и сосна - из Hortlax pl 401 S94/0385 SCA.
Для экспериментов был использован вермикулит KDR, подвергнутый термической обработке при температуре 440°С и имеющий размер зерен 1-2 мм. До экспериментов в теплице часть вермикулитного материала была использована для обработки сточной воды с установки для получения биогаза, при этом к ней были добавлены, т.е. абсорбированы ее структурой, ионы аммония. Было установлено, что содержание влаги при температуре +105°С составляет 12 и 5 мас.% соответственно в вермикулите с добавлением и без добавления аммония.
Были использованы следующие субстратные смеси:
С50 = 50/50 об.% песка/вермикулита без добавок
D50 = 50/50 об.% песка/вермикулита с добавлением аммония
С100 = 100% вермикулита без добавок
D100 = 100% вермикулита с добавлением аммония
Размер зерен использованного песка составляет 0,9 мм ± 0,1 мм.
2
Были использованы ящики для выращивания модели Panth со 121 контейнером. Площадь четырех ящиков составляет 1 м.
К субстратным смесям без добавок добавляют воду в количестве 300 мл/л, а к субстратным смесям с добавками - в количестве 230 мл/л. После добавления воды к субстратным смесям без добавок в течение нескольких минут наблюдается повышение температуры от 20 до 65°С. Субстратной смесью заполняют 30 контейнеров, по 55-60 мл в контейнере для обработки.
В каждый контейнер засевают по 2 зерна. Контейнеры регулярно поливают. Для того чтобы сохранить высокую влажность воздуха, ящики для выращивания покрывают пластиком, который заменяют тканью после того, как через неделю начинается появление проростков, которую удаляют еще через неделю. Температура выращивания составляет около 20°С, а продолжительность дня >18 часов. Ящики для выращивания поливают через регулярные промежутки времени. В контейнерах с 2 живыми проростками один из проростков удаляют через 5 недель в ящиках с сосной и через 7 недель в ящиках с елью. Через 19 недель по 10 проростков каждого вида произвольно отбирают, срезают над поверхностью субстрата и фотографируют по отдельности. После сушки при 70°С в течение 24 часов определяют массу сухого вещества.
Через 5 недель половину ящиков раз в неделю поливают питательным раствором, включающим фосфор, калий, магний и бор в следующих количествах:
Фосфор:
0,2-0,49 г/м<sup>2</sup>/неделя
Калий:
1,04-2,5 г/м<sup>2</sup>/неделя
Бор:
0,004-0,008 г/м<sup>2</sup>/неделя
Магний:
0,10 г/м<sup>2</sup>/неделя
В течение периода роста используемое количество фосфора, калия и бора повышают, а количество магния остается постоянным.
Через 5 месяцев роста иголки проростков сосен и елей, растущих в субстратных смесях, включающих вермикулит с добавками, т.е. D50 и D100, имели содержание азота более 3% без полива вышеописанным питательным раствором.
Иголки проростков сосен и елей, которые росли в субстратных смесях, включающих вермикулит с добавками, т.е. D50 и D100, и которые поливались питательным раствором, имели содержание азота более 2%.
Что касается других субстратных смесей, включающих вермикулит без добавок, содержание азота в иголках проростков составляло от 0,8 до 1,4% независимо от полива питательным раствором.
Вес проростка сосны через 5 месяцев выращивания в субстратной смеси, включающей чистый вермикулит с добавками, т.е. D100, составлял 131 мг, а ели - 78 мг. Вес проростка сосны, выращенного в субстратной смеси, включающей вермикулит с добавками и песчаную смесь, т.е. D50, составлял 118 мг, а ели - 60 мг. Оба результата были получены без полива питательным раствором.
Вес проростков сосны в субстратной смеси, включающей чистый вермикулит с добавками, т.е. D100, составлял 350 мг, и 763 мг в субстратной смеси, включающей как вермикулит с добавками, так и песок, т.е. D50. В обоих случаях проростки выращивали при поливе питательным раствором.
Вес проростков ели составлял около 280 мг, одинаковый при выращивании как в субстратной смеси D50, так и D100.
Вес проростка сосны, выращенного в субстратной смеси, включающей чистый вермикулит без добавок, т.е. С100, составлял 61 мг, а ели - 35 мг. Вес проростка сосны, выращенного в субстратной смеси, включающей вермикулит без добавок и песчаную смесь, т.е. С50, составлял 75 мг, а ели - 39 мг. Оба результата были получены без полива питательным раствором.
Соответствующий вес проростков сосны, поливаемых питательным раствором, составил 121 мг, а ели - 52 мг, и 97 мг проростка сосны и 54 мг проростка ели, выращенных в субстратных смесях С100 и С50 соответственно.
Таким образом, может быть сделан вывод о том, что вермикулитный материал, подвергнутый термической обработке согласно настоящему изобретению, способен поглощать аммоний из сточной воды с установки для получения биогаза и высвобождать поглощенный аммоний при использовании в качестве удобрения. Таким образом, вермикулит согласно настоящему изобретению может быть использован для очистки от аммония или его удаления из богатых аммонием сред, а затем вермикулит с добавленным к нему аммонием может быть повторно использован для улучшения почв, нуждающихся в азоте.
Проростки ели и сосны растут существенно лучше в субстрате, включающем вермикулит с добавленным к нему аммонием согласно настоящему изобретению. Такие проростки способны поглощать аммоний, абсорбированный на вермикулите, и использовать его для своих биологических процессов.
Следует отметить, что сущность настоящего изобретения может быть выражена в виде различных вариантов, из которых здесь описаны лишь немногие. Для специалиста в данной области техники очевидно, что существуют другие варианты, не нарушающие сущности данного изобретения. Таким образом, описанные варианты являются иллюстративными и не должны рассматриваться как ограничивающие.