О перспективах развития технологий рациональной переработки торфов в Ханты-Мансийском автономном округе - Югре

ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

2011 г. Выпуск 4 (23). С. 53-58

УДК 674.88

О ПЕРСПЕКТИВАХ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЙ РАЦИОНАЛЬНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТОРФОВ В ХАНТЫ-МАНСИЙСКОМ АВТОНОМНОМ ОКРУГЕ - ЮГРЕ

Н. П. Горленко, А. В. Жуйкова, Г. Г. Шархиева

Торф является наиболее распространенным природным сырьем. Общие запасы торфа на территории Российской Федерации оцениваются в размере 162,7 млрд. тонн торфа 40 %-ной влажности. Для сравнения, мировые запасы нефти составляют 31 млрд. тонн, газа - 22 млрд. тонн, угля - 90 млрд. тонн. В отличие от указанных энергоносителей торф - возобновляемое природное сырье. Наибольшие запасы торфа сосредоточены в двух странах: Россия - 150 млн. га; Канада - 111 млн. га. Наиболее крупными производителями торфяной продукции в мире на сегодня являются Финляндия, Канада, Германия, Ирландия, Беларусь, Прибалтийские страны и Россия. При этом в России объем добычи торфа за последние годы сократился примерно в 2,0 раза, в то время как в других странах в среднем увеличился на 10 %.

Известно, что торф является ценным природным сырьем, и исследования в области его рационального использования являются актуальной задачей в перспективе на ближайшие годы. В настоящее время продукция из торфа в Ханты-Мансийском автономном округе -Югра (ХМАО - Югра) производится в небольших объемах, и природное сырье используется преимущественно в качестве структурообразующего компонента для почв.

Целесообразность применения технологий рациональной переработки торфов ХМАО -Югры можно показать на нескольких примерах.

1. Общие запасы торфа на территории Тюменской области составляют около 69 млрд. тонн, что составляет 40 % от общероссийских и 17 % от мировых запасов. При этом ежегодное приращение торфяной массы многократно превышает уровень годовой добычи. Ежегодно в мире образуется почти 3,0 млрд. м3 торфа, что примерно в 120 раз больше, чем используется. Эти условия позволяют организовывать производство на основе торфа на длительный срок. Следует отметить, что торф Среднего Приобья по природе отличаются от торфа европейского региона РФ, исследования в этой области немногочисленны, в то время как эффективное решение проблемы неразрывно связано с исследованием физико-химических и структурных свойств природного сырья, что создает фундаментальную основу любых технологий.

2. Торф является уникальным сырьем для получения более чем 60 видов продукции для энергетики, химической, биохимической, строительной промышленности, а также медицины и сельского хозяйства. Основные тенденции направлены на глубокую переработку природного сырья. В настоящее время в мировом масштабе вклад торфа в производство и использование энергии незначителен и составляет примерно одну тысячную от энергии, потребляемой в мире. В сравнении с использованием торфа в чисто энергетическом направлении применение его продуктов с химической переработкой повышает эффективность использования торфа в 15-20 раз. Поэтому глубоко переработанный торф будет являться конкурентоспособной продукцией, в том числе и на мировом рынке.

3. Наличие практически не ограниченных и возобновляемых запасов сырья, разработанных месторождений, подготовленных квалифицированных специалистов - выпускников университетов ХМАО - Югры, востребованность продукции для нужд народного хозяйства создает условия для привлечения инвесторов и способствует развитию малого бизнеса.

4. Зависимость нефтяной промышленности от коньюктуры мирового рынка энергоносителей может оказать отрицательное влияние на экономическое и социальное состояние округа. Разработка и совершенствование технологий по рациональной переработке торфа и организация промышленного производства на этой основе позволит минимизировать последствия кризисных явлений.

Из анализа литературных данных по проблемам торфяного дела следует, что разработка технологий получения продукции из торфа интенсивно развивается и является перспективным направлением как в области научных исследований, так и в области практического использования. При этом наряду с традиционными методами в последние годы широко используются способы модифицирования природного сырья путем введения функциональных групп неорганической и органической природы, механохимической и низкоэнергетической активации дисперсной системы [1]. При выборе оптимальных режимов и условий обработки природного сырья можно получать продукцию многофункционального назначения.

Рассмотрим некоторые направления работ по рациональному использованию торфа, имеющих, на наш взгляд, актуальность для округа ХМАО - Югра.

1. Технологии получения сорбентов ионов тяжелых металлов, нефти и нефтепродуктов на основе модифицированного торфа.

Полифункциональность свойств торфа позволяет широко варьировать условия получения торфосодержащих композиций с заданными параметрами. Высокая гидрофильность природного сырья позволяет использовать его в качестве сорбента при очистке вод от различных ионов, а низкая - для поглощения неполярных углеводородов, таких как нефть и нефтепродукты. Например, в табл. 1 приведены сравнительные данные по поглотительной способности по ионам тяжелых металлов для торфов различных типов по кислотным и основным группам.

Таблица 1. Кислотно-основные свойства верхового, переходного и низинного типов торфа

Тип торфа ПОЕ, ммоль/г рКн ПОЕ, ммоль/г рКон

Верховой 3,67 8,75 2,17 11,80

Переходный 3,96 9,60 6,17 6,70

Низинный 6,33 9,20 1,17 11,05

Как видно из таблицы, значения полной обменной емкости (ПОЕ) торфа уступают показателям ПОЕ синтетических ионообменников, но стоимость сорбентов на основе торфа на порядки ниже. Кроме того, в силу сложного химического состава торфа центрами сорбции, повышающие процент извлечения примесей, могут выступать другие, например, функциональные кислородсодержащие группы. Для выяснения природы типов адсорбционных центров уместно рассмотреть негидролизуемую часть торфа, гипотетическая схема которой приведена на рис. 1 [4].

Рис. 1. Гипотетическая формула гуминовой кислоты по Орлову -строение структурной ячейки: 1 - первые центры сорбции, 2 - вторые центры сорбции

По методу функционала плотности DFT B3LYP 6-31** с использованием программы Hyper Chem 8.01 была проведена оценка энергии взаимодействия молекул воды с функциональными группами торфа. Результаты расчетов приведены в табл. 2.

Таблица 2. Значения энергии водородной связи на различных центрах сорбции

Центры сорбции Первый центр сорбции Второй центр сорбции

Функциональная группа Я-ОН Я-СО-Я1 Аг-ОН Я-О-Я1

Энергия водородной связи, кДж/моль 26,8 23,9 19,3 21,8

По значениям близких по энергии водородной связи молекул воды с функциональными группами торфа условно можно выделить два центра сорбции (Я-ОН, Я-СО-Я^) и (Аг-ОН, Я-О-Я1), расположение которых отмечено на рис. 1. Введение в состав торфяной матрицы дополнительных функциональных групп, способных к ионному обмену, например, групп -СООН путем введения в матрицу торфа карбоксилметилцеллюлозы приближает сорбционную способность торфа к синтетическим ионообменникам [2].

Таким образом, модифицирование позволяет получить сорбенты со средними значениями полной обменной емкости: по ионам тяжелых металлов (не менее 4 ммоль); по нефти и нефтепродуктам (не менее 7 г) в расчете на 1 г сухого торфа. В табл. 3 приведены примеры степени очистки воды от нефти на торфе, модифицированном хлоридом железа.

Таблица 3. Результаты очистки модельных растворов от нефтепродуктов

Торф Исходный Модифицированный

С(НП) до 3 очистки, г/50 см С(НП) после очистки, г/50 см3 Эффективность очистки, % С(НП) после очистки, г/50 см3 Эффективность очистки, %

1,00 0,56 44,0 - 100,0

3,00 1,76 41,3 - 100,0

5,00 3,86 38,0 0,14 97,2

7,00 5,18 36,3 0,70 90,3

Синтезированные сорбенты позволят эффективно решать экологические проблемы округа, в том числе при ликвидации экологических катастроф, например, разлива нефти.

2. Технологии экстракции высокомолекулярных и активных веществ из торфа.

Весьма перспективным направлением использования высокомолекулярных веществ торфа, полученные методами экстракции, является применение их в медицине в качестве транспортных систем для направленной доставки лекарственных препаратов к органам-мишеням, в фармакологии в качестве антисептических средств, в сельском хозяйстве в качестве удобрений. На последнее стоит обратить особое внимание.

В настоящее время в пахотных почвах (Россия) ежегодно минерализуется 64 млн. тонн гумуса, а восполняется только 27, дефицит составляет 37 млн. тонн. Для повышения плодородия почв необходимо внести в почву при сложившейся структуре посевных площадей свыше 600 млн. тонн органических удобрений. Торфяные удобрения - безальтернативное сырье для сохранения плодородия почв. Для восстановления катастрофически снижающегося плодородия почв и поддержания его в состоянии, позволяющем получать качественные урожаи сельскохозяйственных культур, экономически выгодно применять поликомпонент-ные, водоустойчивые органические и органоминеральные удобрения целевого назначения с заданными свойствами, применение которых позволит увеличить урожайность растений в 1,5 раза. Это определяется тем, что исключаются потери элементов питания из почвы, увеличивается коэффициент потребления их растениями (до 95 %), стимулируется рост растений и снижается возможность их заболевания. Потенциальная емкость рынка препаратов на основе торфа, повышающих плодородие почв, имеет хорошие перспективы их экспорта.

Кроме того, продукты экстракции из торфяного сырья могут быть использованы для повышения отдачи нефти в нефтяных пластах как добавка в жидкость затворения цементных

композиций с целью увеличения подвижности, удобоукладывемости и прочности бетонных изделий и др.

3. Технологии синтеза строительных композиционных материалов.

Остаток торфа после экстракции ценных компонентов может использоваться в производстве строительных материалов, что позволит утилизировать практически любые объемы отходов природного сырья после извлечения ценных компонентов, что отвечает условиям безотходного производства. В состав торфа входят различные органические и органоминеральные комплексы, при модифицировании которых существенно увеличиваются его вяжущие свойства и ускоряется процесс формирования структур композиционных материалов. Эту особенность торфяного сырья целесообразно использовать при изготовлении стеновых, теплоизоляционных строительных материалов и полифункциональных добавок, обеспечивающих получение требуемых прочностных и гидрофобных свойств строительных смесей на основе цемента [3, 5]. Для повышения прочности строительных материалов на основе торфа и снижения усадочных деформаций целесообразно введение в состав армирующего компонента - продукта переработки древесины, что позволит частично решать и проблемы утилизации древесных отходов. Использование торфа как структурообразующего компонента в технологии получения композиционного материала с регулируемой структурой позволяют существенно улучшить конкретные его свойства, не достигаемые при традиционных технологиях. Так, в разработке эффективных теплоизоляционных материалов с использованием торфа, в настоящее время за основу принимается двухкомпонентная модель композита: прочный и пористый каркасообразующий элемент и торфосодержащий клей. В качестве каркасообразующего компонента целесообразно использовать органические легкие материалы (например, опилки, стружка, дробленка), На рис. 3 приведены примеры прочности торфяных композиций, полученные при механохимической модификации торфа в разных условиях активирования.

- низинный торф (помол в шаровой мельнице);

О - низинный торф

(помол в планетарной мельнице);

I - верховой торф (помол в шаровой мельнице);

- верховой торф

(помол в планетарной мельнице).

Рис. 3. Прочность при сжатии торфяных композиций при различных способах активации.

1 - в сухом состоянии; 2 - в воде при температуре 20 С;

3 - в воде при температуре 90 °С; 4 - в кислой среде; 5 - в щелочной среде

При данном способе модифицирования торфа в воде и водных растворах наблюдается образование новых продуктов химического взаимодействия составляющих компонентов торфа, протекают процессы деструкции, гидролиза и растворения водорастворимых легкогидролизуемых веществ (рис. 4).

см-1

а

см-1

б

Рис. 4. ИК - спектрограммы торфа обработанного в шаровой (1) и планетарной (2) мельницах: а - кислой водой; б - щелочной водой

Указанные процессы приводят к получению торфовяжущего с прочностью при сжатии

0,6-0,75 МПа, что обеспечивает получение теплоизоляционных и конструкционнотеплоизоляционных материалов с требуемым уровнем качества.

В заключение следует отметить, что технологии, основанные на использовании торфа как ценного природного сырья, имеют хорошие перспективы развития и, по нашему мнению, будут востребованы в ближайшем будущем. Один из возможных вариантов комплексного и рационального решения проблемы - исследование особенностей состава, структуры, свойств природного сырья Ханты-Мансийского округа и на этой основе разработка и создание банка данных по технологиям безотходной (или малоотходной) и ресурсосберегающей глубокой переработки торфа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Горленко, Н. П. Низкоэнергетическая активация дисперсных систем [Текст]: монография / Н. П. Горленко, Ю. С. Саркисов. - Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2011. - 264 с.

2. Использование торфов Томской области при очистке сточных вод от тяжелых металлов и нефтепродуктов [Текст] / Л. Б. Наумова, З. И. Отмахова, Н. П. Горленко, Г. М. Мокро-усов // Химия в интересах устойчивого развития. - 1997. - № 5. - С. 609-611.

3. Копаница, Н. О. Композиционные строительные материалы на основе модифицированных торфов [Текст]: автореф. дис. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук. - Томск, 2011. - 48 с.

4. Особенности процессов адсорбции-десорбции паров воды на исходных им модифицированных образцах торфа. [Текст] / Л. Б. Наумова, Т. С. Минакова, Чернов и др. // Прикл. химии. - 2011. - Т. 84. - В. 5. - С. 762-767.

5. Торфяные ресурсы Томской области и пути их использования в строительстве [Текст]: монография / Л. В. Касицкая, Ю. С. Саркисов, Н. П. Горленко и др. - Томск : Изд-во БІГ, 2007. - 292 с.