Способ получения многофункционального биополимерного сорбента
METHOD FOR OBTAINING A MULTIFUNCTIONAL BIOPOLYMER SORBENT

Изобретение относится к области экологии, сельскому хозяйству, в частности к способам получения гуматосодержащего препарата, и может быть использовано при производстве препаратов, восстанавливающих плодородие почв, а также при производстве препаратов для извлечения и детоксикации тяжелых металлов, радионуклидов, инкорпорирования углеводородов нефти в сточных водах, производственных илах, в грунтах различной этиологии поражения.
В условиях постоянно увеличивающегося антропогенного воздействия на окружающую среду остро встают проблемы по нивелированию разноплановых отрицательных факторов, способствующих экологической деградации окружающего пространства, в том числе почвы и водного бассейна. Разноплановость воздействий на них и предопределило широкий набор протекторных препаратов, имеющих весьма ограниченный спектр действия с узкоспециализированными свойствами и зачастую требующих дальнейшую детоксикацию.
Многие методы утилизации отходов связаны с введением химических реагентов в растворы сточных вод и доведением рН до значений, при которых из растворов выпадают гидроксиды тяжелых металлов, переходящих в подвижные формы, загрязняя окружающую среду, так же предлагаются к использованию дорогостоящие и экологически небезупречные синтетические средства (например,
этилендиаминтетрауксусная кислота, лимонная кислота и др.) и дорогостоящие или малоэффективные технологии.
Поэтому весьма актуальной задачей является создание относительно не дорогих, эффективных препаратов, обладающих полифункциональностью.
Наиболее перспективными материалами являются модифицированные торфа с повышенным содержанием гуминовых кислот, так как они могут выполнять несколько функций:
- снижать техногенное влияния опасных веществ (гуминовые кислоты являются универсальным сорбентом для всех типов тяжелых металлов в катионной форме и образуют прочные соединения с ионами металлов и, следовательно, могут выступать как мощные поглотители, а также инкорпорировать углеводороды нефти);
- рекультивировать почвы (увеличивать плодородие);
- стимулировать рост и развитие почвообразующей биоты.
Одним из перспективных способов очистки сточных вод и ремедиации техногенного загрязнения земель с восстановлением их плодородия является применение торфогуминовых препаратов. В настоящее время известно много видов препаратов на основе гуминовых кислот.
Известен способ получения пластичного естественного активатора почвообразования, включающий смешивание торфа и твердой щелочи и их дальнейшую совместную обработку, причем смешивание торфа и твердой щелочи осуществляют с дополнительным введением целлюлолитического фермента в соотношении соответственно 9:1:0,05, а совместную обработку проводят в дезинтеграторе в течение 10 мин до получения мелкодисперсной массы с содержанием гуминовых кислот в указанном продукте составляет 12-16 г/л. (см. патент РФ №2186752 по МПК C05F 11/02, опубл. 10.08.2002.).
Наиболее близким по технической сущности является способ получения биокатализатора ремедиации почвенных и растительных структур, включающий смешивание торфа, твердой щелочи, целлюлолитический фермент, янтарной кислоты и целлюлозосодержащий субстрат, получая смесь, которую в дальнейшем подвергают диспергированию в кавитаторе, причем в качестве
целлюлозосодержащего субстрата используют солому или торф, или древесные опилки, или их смесь, получая продукт с содержанием гуминовых кислот 20 г/л (см. патент РФ №2428404 по МПК C05F 11/02, опубл. 27.05.2010.).
Недостатком ближайшего аналога является использование целлюлолитического фермента, как деструктора лигно - целлюлозного комплекса, слабо влияющего на выход основного продукта - гуминовых кислот (до 20 г/л,), так как часть фермента нейтрализует биологическую активность высвобождаемых гуминовых кислот. Негативно сказывается и использование в аналоге целлюлозосодержащего измельченного субстрата, так как при разведении водой в 1000 и более раз его роль ничтожна. Использование целлюлолитического фермента и целлюлозосодержащего измельченного субстрата утяжеляет рецептуру и аппаратурное оформление процесса, что отрицательно сказывается на себестоимости и качестве конечного продукта. Помимо этого при получении конечного продукта оптимизировано количество используемой щелочи, которое снижено на 30%.
Таким образом известный способ характеризуется получением готового продукта с низким содержанием основных активнодействующих веществ - гуминовых кислот при достаточно многокомпонентной рецептуре и усложненном аппаратурном оформлении.
Техническим результатом является повышение содержания биологически активных веществ в виде гуминовых кислот в конечном готовом продукте с повышенной сорбционной емкостью и расширенным спектром его воздействия, снижение энергозатрат и упрощение аппаратурного оформления процесса, снижая себестоимость конечного готового продукта.
Технический результат достигается тем, что в способе получения многофункционального биополимерного сорбента, включающем смешивание торфа, твердой щелочи и янтарной кислоты, получая смесь, которую в дальнейшем подвергают диспергированию в кавитаторе, согласно изобретению смешивание осуществляют при соотношении компонентов: торф - 900 кг, щелочь - 100 кг, янтарная кислота - 5 мг, диспергирование полученной смеси осуществляют при температуре 75-95°С в течение 14-20 минут, получая концентрированный многофункциональный биополимерный сорбент в виде мелкодисперсной массы. Концентрированный многофункциональный биополимерный сорбент разводят водой в соотношении 1: 100-1500 (в зависимости от характера загрязнений), получая рабочий раствор сорбента в качестве готового продукта. Концентрированный многофункциональный биополимерный сорбент разводят водой в соотношении 1: 1000-10000, получая рабочий раствор сорбента в качестве активатора восстановления поврежденной биоты почвообразования.
Способ получения многофункционального биополимерного сорбента осуществляется следующим образом.
Получение многофункционального биополимерного сорбента включает смешивание торфа, твердой щелочи и янтарной кислоты при соотношении компонентов: торф - 900 кг, щелочь - 100 кг, янтарная кислота - 5 мг, получая смесь, которую в дальнейшем подвергают диспергированию в кавитаторе, причем диспергирование полученной смеси осуществляют при температуре 75-95°С в течение 14-20 минут, получая концентрированный многофункциональный биополимерный сорбент в виде мелкодисперсной массы. Для получения рабочего раствора концентрированный многофункциональный биополимерный сорбент разводят водой в соотношении 1: 100-1500 (в зависимости от характера загрязнений), получая рабочий раствор сорбента в качестве готового продукта. Для получения рабочего раствора активатора восстановления концентрированный многофункциональный
биополимерный сорбент разводят водой в соотношении 1: 1000-10000 (в зависимости от характера загрязнения и морфологии почвы).
Граничные значения составляющих компонентов были определены экспериментально.
Сущность изобретения поясняется на конкретном примере его осуществления.
В горизонтальный смеситель с шаберной задвижкой (типа ЛС-30) при включенных мешалках загружают 900 кг просеянного нативного торфа влажностью около 85% и 100 кг твердой щелочив виде едкого натра, 5 мг янтарной кислоты, перемешивают 10-15 мин. Полученный таким образом полупродукт подают транспортером в кавитатор. После 15 минут баротермической обработки в кавитаторе при температуре 90°С получают диспергированную смесь в виде концентрированного многофункционального биополимерного сорбента, который направляют в накопительную емкость и затем на фасовку.
Полученный продукт имеет желеобразную консистенцию, темно-коричневый цвет, слабый запах аммиака, рН 10-12, легко растворим в воде.
Содержание биологически активных веществ в заявленном продукте по сравнению с аналогами повышено и составляет: гуминовых веществ не менее 120 г/л (в ближайшем аналоге 20 г/л).
Для получения рабочего раствора сорбента полученный концентрированный многофункциональный биополимерный сорбент разводят водой в соотношении 1 часть продукта на 100-1500 частей воды (в зависимости от характера загрязнений).
Для использования полученного концентрированного многофункционального биополимерного сорбента в качестве активатора восстановления поврежденной биоты почвообразования концентрированный многофункциональный биополимерный сорбент разводят водой в соотношении 1: 1000-10000 (в зависимости от характера загрязнения и морфологии почвы).
В предлагаемом составе торф выполняет функцию поставщика гуминовых кислот, щелочь необходима как экстрактор и образователь гуминовых комплексов и также как раскислитель. Янтарная кислота является катализатором обменных процессов.
Для активизации торфа и перевода находящихся в нем гуминовых веществ в водорастворимые формы с повышенной сорбционной емкостью заявляемый состав подвергают обработке в кавитаторе (баротермии).
Обработка компонентов в кавитаторе позволяет достичь улучшения сорбционной емкости - повышенного выхода модернизированных биополимеров с повышенной сорбционной емкостью, так как происходит деполимеризация нативных гуминовых веществ, уменьшая их молекулярно-массовый размер, обеспечивая тем самым повышение сорбционной емкости за счет создания дополнительных активных центров.
В конечном итоге выход активных модернизированных гуминовых кислот по предлагаемому методу выше, чем у прототипа и достигает концентрации 100-130 г/л по сравнению с 20 г/л у прототипа.
Таким образом достигают заявленный технический результат, получая продукт с повышенной сорбционной емкостью и с большим, чем у ближайшего аналога, содержанием биологически активных и ростовых веществ. Дополнительно упрощается рецептура (исключаются целлюлолитические ферменты, целлюлозосодержащий субстрат) и ускоряется технология приготовления и способ использования биополимера.
В результате проведенных натурных испытаний доказано, что 1 г препарата в многокомпонентной среде реальных отходов поглощает: Fe -530 мг, Zn - 62 мг, Pb - 1,3 мг, Cd - 0,6 мг, Cr - 15 мг, Cu - 353 мг.
Полученные данные свидетельствуют, что препарат имеет огромные перспективы, как в экологическом, так и в экономическом (рециклинг металлов) аспектах, помимо этого ускоряет развитие почвообразующей биоты и разлагает вредные вещества (пестициды, углеводороды, фенолы и т.п.), тем самым поддерживая экологическое равновесие.
Предлагаемым способом получают препарат из известных компонентов простым безотходным, мало энергоемким способом, что снижает его себестоимость. Способ получения конечного продукта к применению также прост, так как для использования требуется только разведение его водой.