Способ получения бумажных, гидрофобных, антисептических форм из макулатуры для выращивания зеленых культур
METHOD OF PRODUCING PAPER, HYDROPHOBIC, ANTISEPTIC WASTES FROM WASTE PAPER FOR GROWING GREEN PLANTS

Область техники
Изобретение относится к переработке вторичного волокнистого сырья и касается способа получения форм из макулатуры для выращивания растений, в частности получения форм с гидрофобными и антисептическими свойствами для выращивания растений методом проточной гидропоники.
Уровень техники
Вторичное волокнистое сырье является распространенным видом бытовых или промышленных отходов, объем которых непрерывно растет в связи с увеличением производства и потребления, в частности, объем такого вторичного волокнистого сырья как макулатура растет с увеличением производства и потребления упаковочной тары. Макулатура - это целлюлоза, которая прошла один цикл переработки и является вторичным сырьем для целлюлозно-бумажной промышленности. Применение макулатуры в целлюлозно-бумажной промышленности позволяет экономить материальные и энергетический ресурсы и одновременно утилизировать большую часть отходов.
Из уровня техники известна масса для изготовления горшков для выращивания рассады, содержащая материал, разлагающийся под воздействием влаги, связующее, минеральное удобрение (RU2499382). В качестве материала, разлагающегося под действием влаги, масса включает распущенную бумагу, а в качестве связующего - клей ПВА, причем компоненты находятся при следующем соотношении, мас. %: распушенная бумага - 98; клей ПВА - 1; минеральное калийное удобрение - 1. Однако изготовленные с использованием этой массы горшки не обеспечивают гидрофобных и антисептических свойств и не могут быть использованы при выращивании зеленых культур методом проточной гидропоники, так как уже при переносе с рассадной линии, на которой в течение 10-20 суток проводится полив, на линию выращивания они разрушаются от влаги и обрастают плесневыми грибами, которые угнетают рост растения.
Наиболее близким аналогом разработанного способа является способ производства формовочного контейнера для яиц, описанный в RU2634236. Производство формованного контейнера осуществляется следующим образом. Проводят все этапы подготовки бумажной массы: роспуск и очистку, затем бумажную массу подают в емкость формовочной машины. Сетчатую матрицу пресс-формы с заданной цикличностью опускают в емкость с бумажной массой и с использованием вакуума на сеточную матрицу набирают необходимое количество бумажной массы, после чего сетчатую матрицу с набранной бумажной массой поднимают из емкости. Затем из формующего изделия через специальные отверстия в матрице, посредством вакуума, удаляется вода. Сформованные изделия подают в сушильную камеру. Далее готовые формованные контейнеры укладывают друг в друга в штабеля в раскрытом виде.
Изготовленные изделия не обладают гидрофобными и антисептическим (биоцидными) свойствами и не могут использоваться при выращивании растений методом проточной гидропоники.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения форм, обладающих гидрофобными свойствами, позволяющими выдерживать интенсивный полив при выращивании растений, а также обладающих антисептическими (биоцидными) свойствами, обеспечивающими защиту от почвенных микроорганизмов, угнетающих рост растений.
Поставленная задача решается путем разработки способа получения форм для выращивания растений методом проточной гидропоники из макулатуры методом вакуумного формования, включающий роспуск и очистку макулатуры, формование изделия и удаление воды из сформированного изделия, включающий следующие последовательные стадии:
- проводят роспуск макулатуры в воде при концентрации макулатуры 3,0-5,0 мас. %, с получением волокнистой массы;
- проводят очистку массы от загрязнений;
- разбавляют очищенную массу водой до концентрации массы 0,8-1,2 мас. %;
- в полученную массу вводят водную эмульсию алкилкетен димера и катионного крахмала в количестве 0,3-0,4% от массы макулатуры;
- проводят вакуумное осаждение массы на форме, имеющей конфигурацию готового изделия, с последующим обезвоживанием и уплотнением массы;
- поверхность сформованных изделий с наружной стороны обрабатывают смесью, содержащей: 5-хлоро-2-метил-4-изотиазолин-3-он - 0,001-0,003%, 2-метил-4-изотиазолин-3-он - 0,0002-0,0004%, вода - остальное, и высушивают.
В некоторых частных вариантах изобретения в качестве макулатуры используют композицию следующего состава (мас. %):
макулатура марки МС-5Б - 50 - 70;
макулатура марки МС-6Б - 30 - 50.
В некоторых частных вариантах изобретения обезвоживание и уплотнение массы на форме проводят до сухости 25-30%.
В некоторых частных вариантах изобретения высушивание проводят методом конвективной сушки при температуре 140-150°С.
В некоторых частных вариантах изобретения растения представляют собой зеленые культуры.
Задача также решается путем разработки формы для выращивания растений, полученной по любому из описанных выше способов.
В результате реализации изобретения достигаются следующие технические результаты:
- оптимизирована технология получения форм из вторичного волокнистого сырья - макулатуры;
- разработан способ получения форм, которые:
можно использовать для проточной гидропоники; воздухопроницаемы;
обладают гидрофобными и антисептическими свойствами.
- использование форм, полученных согласно способу, способствует снижению загрязнения окружающей среды за счет замены пластиковых форм формами, полученными согласно изобретению, которые достаточно устойчивы к воздействию влаги и других условий в процессе выращивания растений и которые разлагаются в дальнейшем без образования вредных веществ.
Термины и определения
Следующие термины и определения применяются в данном документе, если иное не указано явно.
В описании данного изобретения термины «включает» и «включающий» интерпретируются как означающие «включает, помимо всего прочего». Указанные термины не предназначены для того, чтобы их истолковывали как «состоит только из».
Термин «вторичное волокнистое сырье (полуфабрикат)» означает отходы производства, переработки и потребления целлюлозо-бумажной продукции, пригодные для дальнейшего использования в качестве волокнистого сырья, например, макулатуру.
Термин «макулатура» означает целлюлозное сырье, прошедшее цикл переработки, пригодное для изготовления форм для выращивания растений.
Согласно принятому на территории России стандарту - ГОСТ 10700-97, макулатуру принято разделять на три группы:
группа А - высокого качества;
группа Б - среднего качества;
группа В - низкого качества.
Макулатура каждой группы в зависимости от состава, источников поступления, цвета и способности к роспуску, подразделяется на марки, в частности:
Марка макулатуры МС-5Б относится к отходам производства и потребления гофрированного картона, бумаги и картона, применяемых в его производстве;
Марка макулатуры МС-6Б относится к отходам производства и потребления картона всех видов (кроме электроизоляционного, кровельного и обувного) с черно-белой и цветной печатью.
«Композиция» или «смесь» означает любую ассоциацию двух и более составляющих компонентов.
Термин «катионный крахмал» означает крахмал, полученный путем обработки картофельного, кукурузного и/или тапиокового крахмала катионирующими химическими реагентами, например, химическими соединениями, включающими аминные, иминные, аммонийные, сульфониевые или другие группы, имеющие положительные заряды.
Предпочтительно катионный крахмал представляет собой любой растворимый в воде крахмал, включающий достаточное количество катионных групп, например, амино-групп, которые обеспечивают положительный заряд крахмала в растворе. Наиболее предпочтительно крахмал представляет собой катионный кукурузный крахмал.
Термин «роспуск» или «разволокнение» означает технологическую операцию, при которой вторичное волокнистое сырье (полуфабрикат), в частном случае макулатура, подвергается обработке в водной среде для разделения на волокна без размола, в результате чего волокнистое сырье превращается в суспензию сырья в воде - волокнистую массу.
«Масса» - водная суспензия вторичного волокнистого сырья (полуфабриката), в частном случае макулатура, предназначенная для получения форм. Масса для получения (изготовления) форм может состоять из одного или нескольких волокнистых полуфабрикатов, может содержать наполнители, проклеивающие вещества и красители.
«Сушка форм» - удаление влаги из форм, например, испарением.
Термин «сухость» означает содержание влаги (воды) в изделии (форме), в частном случае, содержание свободной влаги, которую можно удалить в процессе вакуум формования. Таким образом, сухость 25-30% означает, что в процессе вакуум формования из изделия удаляется 25-30% влаги. На практике «сухость» определяется в процентах как отношение массы изделия после высушивания к его массе до высушивания.
Термин «алкилкетен димер» или «алкилкетеновый димер» или «АКД» означает соединение, имеющее структурную формулу:
где R1, R2 независимо выбраны из алкила, содержащего от 6 до 36 атомов углерода, линейного, разветвленного или неразветвленного; циклоалкила, арила, алкарила или аралкила, наиболее предпочтительно R1, R2 выбраны из линейного алкила, содержащего от 12 до 22 атомов углерода. Например, алкилкетен димер который получен из С12 - С22 линейных насыщенных природных жирных кислот, например, олеиновой, пальмитиновой, стеариновой кислот или их смеси.
Физическое состояние алкилкетен димера зависит от температуры и природы жирных кислот, использованных для получения алкилкетен димера и клеевые композиции на основе алкилкетен димера могуг быть жидкими или твердыми.
Наиболее предпочтительно алкилкетен димер представляет собой твердый алкилкетен димер - воск, полученный на основе пальмитиновой и стеариновой кислот.
Термин «эмульсия» означает двухфазную дисперсную систему, которая состоит из микроскопических капель жидкости - алкилкетен димера (дисперсной фазы), распределенных в другой жидкости - водном растворе катионного крахмала (дисперсионной среде).
«Оборотная вода» - вода, которая удаляется из массы при производстве (в процессе реализации способа получения) форм и используемая вновь в производстве (реализации способа получения).
Термин «очистка массы» означает удаление из массы инородных включений.
Термин «зеленые культуры» означает овощные растения, употребляемые в пищу в зеленом виде (свежими). Например, по принятому на территории России стандарту - ГОСТ 34313-2017, это свежие овощные зеленые культуры ботанических сортов и их гибридов, а также дикорастущих видов зеленых овощных культур, в том числе, но не ограничиваясь: анис обыкновенный, базилик душистый, витекс священный, душица, иссоп, кервель, кориандр, котовник, любисток, майоран, мелисса, мята, петрушка листовая, портулак огородный ревень, сельдерей салатный черешковый, тимьян ползучий, укроп, хрен - листья, чабер, черемша, шалфей мускатный, шпинат, щавель, эстрагон.
Термин «биоцид» или «антисептик» - это химическое вещество, подавляющие рост микроорганизмов и/или уничтожающие микроорганизмы, которые угнетают рост растений.
Термин «форма» означает изделие, емкость для выращивания растений.
Если не определено отдельно, технические и научные термины в данной заявке имеют стандартные значения, общепринятые в научной и технической литературе.
Описание рисунков
Фиг 1. Зеленая культура (Lactuca sativa) в формах, полученных согласно способу, на 20-е сутки выращивания и интенсивного полива.
Фиг 2. Выращивание зеленой культуры (Lactuca sativa) в формах, полученных согласно предлагаемому способу, методом проточной гидропоники.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение направлено на разработку способа, обеспечивающего получение форм, обладающих гидрофобными и антисептическими свойствами.
Заявленный способ заключается в получении форм для выращивания растений методом гидропоники из макулатуры методом вакуумного формования. Разработанный способ включает роспуск (разволокнение) макулатуры, получение волокнистой массы-суспензии макулатуры в воде, очистку массы, разбавление очищенной массы водой, добавление клеевой композиции, формование изделия, обработку с наружной стороны изделия раствором антисептика и удаление воды из сформованного изделия методом сушки.
Так как в ходе выращивания растений осуществляется интенсивный полив, например, на стадии рассады и в ходе выращивания растений методом гидропоники, формы для выращивания растений должны обладать гидрофобными свойствами, сохранять форму и не разваливаться. Поскольку выращивание растений осуществляется в условиях высокой влажности и температуры порядка 25°С, что создает благоприятные условия для развития микроорганизмов, а также в связи с тем, что бумажная форма имеет пористую поверхность, на которой могут скапливаться микроорганизмы; которые угнетают рост растений, формы для выращивания растений должны также обладать антисептическими свойствами.
Формы, не обладающие антисептическими свойствами, не могут применятся для выращивания растений методом проточной гидропоники. Для выращивания растений методом гидропоники обычно применяются пластиковые формы, которые имеют гладкую поверхность, на которой скапливается незначительное количество микроорганизмов, которые не оказывают значительного влияния на рост растений, однако при выращивании растений в пластиковых формах возникает проблема утилизации форм.
В ходе исследований было обнаружено, что включение в массу для изготовления форм клеевой композиции, представляющей собой водную эмульсию алкилкетен димера и катионного крахмала и обработка поверхности сформованных изделий с наружной стороны водным раствором смеси 5-хлоро-2-метил-4-изотиазолин-3-она и 2-метил-4-изотиазолин-3-она обеспечивает получение форм, обладающих гидрофобными и антисептическими свойствами, при этом включенные в состав массы компоненты и специальная обработка раствором антисептика (с наружной поверхности форм) обеспечивает отсутствие угнетения роста растений.
4
В ходе исследований были изучены основные почвенные микроорганизмы, присутствующие при выращивании растений. Неожиданно было обнаружено, что антисептик (биоцид) - смесь 5-хлоро-2-метил-4-изотиазолин-3-она и 2-метил-4-изотиазолин-3-она - подавляет рост патогенных микроорганизмов, не нанося вред растениям и непатогенной среде микроорганизмов. При этом другие антисептики (например, Дезтин, растворы на основе KMnO и/или другие антисептики, используемые в растениеводстве) не обеспечивали необходимый результат, поскольку они обладали широким спектром действия и отрицательно воздействовали (подавляли) на полезную микрофлору почвы и/или их необходимо было использовать в высокой концентрации, что вызывало угнетение роста растений.
В ходе проведения исследований было также установлено, что формы, полученные согласно предлагаемому способу, обладают антисептическими и гидрофобными свойствами в течение необходимого периода времени и разлагаются без образования вредных веществ.
Также при реализации способа было обнаружено, что полученные формы из-за пористой структуры обладают повышенной воздухопроницаемостью, что обеспечивает доступ кислорода к корневой системе и благоприятно влияет на рост растений.
При реализации способа последовательно проводят роспуск макулатуры, например, в гидроразбивателе, при концентрации макулатуры 3,0-5,0 мас. %, далее распущенную массу волокнистого сырья очищают от загрязнений. В ходе очистки масса может быть, например, первоначально подана на очиститель массы высокой концентрации для удаления тяжелых загрязнений и далее на турбосепаратор, где происходит очистка от легких включений и мелкого песка.
При реализации способа может быть использована макулатура различных марок и/или композиция макулатуры различных марок, в частном варианте реализации используется макулатура марки МС-5Б и МС-6Б, например, в композиции следующего состава марки МС-5Б - 50-70 мас. % и марки МС-6Б - 30-50 мас. %. Композиция также может включать один или несколько дополнительных компонентов.
После очистки массы осуществляют ее разбавление водой до концентрации массы 0,8-1,2 мас. %; разбавление очищенной массы может проводиться в аккумулирующей емкости. После разбавления в массу вводят клеевую композицию - водную эмульсию алкилкетен димера и катионного крахмала Водная эмульсия включает в качестве проклеивающего вещества (активное вещество) - алкилкетен димер, предпочтительно в количестве 14-23%, а также эмульгатор (основу) - катионный крахмал, наиболее предпочтительно катионный кукурузный крахмал, в количестве достаточном для получения стабильной высокодисперсной эмульсии. Способ получения данной эмульсии широко известен из уровня техники и может быть получен согласно стандартным методикам с возможными модификациями. Например, согласно способам, описанным: El-Tahlawy K., Venditti R., Joel P. Effect of alkyl ketene dimer reacted starch on the properties of starch microcellular foam using a solvent exchange technique // Carbohydrate Polymers, 73: 133-142, 2008; US6159339 (A).
В качестве водной эмульсии могут применятся готовые клеевые композиции АКД, например, "Флоусайз" («Флоусайз-150», «Флоусайз-175», «Флоусайз-200»), «Аквапел 320».
Клеевую композицию (водную эмульсию) вводят в разбавленную массу в количестве 0,3-0,4% от массы макулатуры. Клеевая композиция может вводиться в массу в бассейне вакуум-формующей машины, далее под действием вакуума происходит осаждение подготовленной волокнистой массы на пресс-форму, предпочтительно используют сетчатую форму - повторяющую конфигурацию готового изделия (формы), с последующим обезвоживанием и уплотнением осевшей волокнистой массы. В частном случае обезвоживание и уплотнение массы на форме проводят до сухости 25-30%.
Затем поверхность сформованных изделий с наружной стороны обрабатывают водным раствором смеси 5-хлоро-2-метил-4-изотиазолин-3-она и 2-метил-4-изотиазолин-3-она, предпочтительно в концентрации 5-хлоро-2-метил-4-изотиазолин-3-она - 0,001-0,003% и 2-метил-4-изотиазолин-3-она - 0,0002-0,0004%; наиболее предпочтительно в концентрации - 5-хлоро-2-метил-4-изотиазолин-3-она - 0,00105% и 2-метил-4-изотиазолин-3-она- 0,00035%.
Поверхность сформованных изделий может обрабатываться с наружной стороны различными способами, например, с помощью форсунок.
После обработки сформованных изделий раствором антисептика проводят удаление воды, в частном случае удаление воды проводят путем высушивания методом конвективной сушки. В частных случаях реализации изобретения сушку проводят путем пропускания сформированных бумажных форм через сушильный тоннель, наиболее предпочтительно при температуре 140-150°С в течение 10-15 мин.
В ходе реализации способа получают формы, которые могут быть использованы для выращивания различных видов растений на различных стадиях выращивания, например, при выращивании рассады, которая в последующем пересаживается на линию выращивания методом гидропоники, например, проточной гидропоники. В частном случае растения представляют собой зеленые культуры, например, базилик душистый, витекс священный, душицу, петрушку листовую, портулак огородный, ревень, сельдерей салатный черешковый, салат, укроп.
Следует понимать, что все приведенные в материалах заявки примеры не являются ограничивающими и приведены только для иллюстрации настоящего изобретения.
Изобретение проиллюстрировано следующими примерами реализации.
Пример 1. Способ получения форм на основе макулатуры марки МС-5Б и МС-6Б.
Проводят процесс получения массы из макулатуры марки МС-5Б - 60% и МС-6Б - 40%. Роспуск макулатуры происходит в гидроразбивателе с использованием оборотной воды при концентрации макулатуры 4,0-5,0 мас. %. Затем распущенную массу подают в аккумулирующую емкость, откуда насосом подают на очиститель массы высокой концентрации для удаления тяжелых загрязнений (например, стекла, камней) и далее на турбосепаратор, где происходит очистка от легких включений (например, пленки, фольги) и мелкого песка. Очищенная масса поступает в бассейн очищенной массы, откуда ее подают на смесительный насос. Здесь происходит разбавление массы оборотной водой до концентрации массы 1% и далее насосом массу подают в бассейн готовой массы, откуда насосом перекачивают в бассейн вакуум-формующей машины и здесь в массу вводят водную эмульсию алкилкетен димера и катионного крахмала в виде готовой клеевой композиции - «Флоусайз-200» в количестве 0,3-0,4% от массы макулатуры. Процесс формования на вакуум - формующей машине представляет собой вакуумное осаждение подготовленной бумажной массы на пресс-форме - сетке, имеющей конфигурацию готового изделия. Под действием вакуума на пресс-форме происходит обезвоживание и уплотнение слоя волокна до сухости 25-30%. При этой сухости сформованное изделие обладает достаточной жесткостью и прочностью для его отделения от формы и последующей транспортировки через сушильный тоннель. Затем проводится обработка поверхности посредством форсунок водным раствором, содержащим 5-хлоро-2-метил-4-изотиазолин-3-он - 0,00105% и 2-метил-4-изотиазолин-3-он - 0,00035% (Неомид 185, 1% водный раствор), с наружной стороны. Сформованные бумажные изделия проходят через сушильный тоннель, длительность процесса сушки составляет 15 мин, при температуре 140-150°С до влажности изделия 6-8%, при этом воздухопроницаемость бумажных форм составляет 201 мл/мин.
Пример 2. Выращивание зеленой культуры в полученных формах методом проточной гидропоники.
В формы, полученные по примеру 1, насыпают почвогрунт, затем закладывают семена салата (Lactuca sativa) и помещают в камеру проращивания (темная комната, влажность 95%, температура 25°С). Через 3 суток после того как появились первые 2 листка, формы выставляют на рассадную линию, где в течение 20 суток идет интенсивный полив. После этого формы помещают на линию выращивания, которая представляет собой пластиковые каналы, в которых по дну течет питательный раствор, через 20 суток салат готов к употреблению и/или реализации (фиг. 1, 2).
Полученные бумажные формы сохраняли свои гидрофобные и антисептические свойства в течение всего периода выращивания. Полученные формы разлагаются в грунте в течение 3-4 месяцев не нанося ущерба экологии.
Пример 3. Сравнительный пример выращивания зеленой культуры методом проточной гидропоники.
Зеленую культуру - салат (Lactuca sativa) выращивали описанным в примере 2 способом одновременно:
- в пластиковых формах;
- формах, полученных по примеру 1;
- формах, полученных по примеру 1, без обработки антисептиком;
- формах, полученных по примеру 1, с обработкой антисептиком «Дезтин».
Через 38 дней биомассу растения взвешивали: в пластиковых формах масса салата составила - 102-106 г, в формах без обработки антисептиком - 74 г, в формах с обработкой антисептиком (согласно примеру 1) - 114-117 г; в формах, с обработкой антисептиком «Дезтин» - 77 г.
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает получение форм из макулатуры, при этом формы обладают гидрофобными, антисептическими (биоцидными) свойствами, повышенной воздухопроницаемостью и сохраняют указанные свойства в процессе выращивания растений. Полученные формы могут быть использованы для выращивания растений методом гидропоники. Полученные формы разлагаются в грунте, не нанося ущерба экологии.
Несмотря на то, что изобретение описано со ссылкой на раскрываемые варианты воплощения, для специалистов в данной области должно быть очевидно, что конкретные подробно описанные эксперименты приведены лишь в целях иллюстрирования настоящего изобретения, и их не следует рассматривать как каким-либо образом ограничивающие объем изобретения. Должно быть понятно, что возможно осуществление различных модификаций без отступления от сути настоящего изобретения.