Способ получения органоминерального биоудобрения
METHOD OF PRODUCING ORGANOMINERAL BIOFERTILIZER

Изобретение относится к области производства удобрений и может быть использовано для получения удобрений, используемых при посадке сельскохозяйственных и лесохозяйственных культур, а также для окультуривания истощенных почв и рекультивации нарушенных земель.
Из уровня техники известно использование экстракта крапивы в составе удобрений, представляющих собой питательный раствор (CN109776182A, 21.05.2019), а также экстракта люцерны в составе внекорневых удобрений (CN107089870A, 25.08.2017) и листовых удобрений (CN107141098A, 08.09.2017) для отдельных видов сельскохозяйственных культур. Данные экстракты способствуют поглощению химических удобрений, таких как азотные, калиевые и борные.
Из уровня техники также известно использование крапивы и люцерны в качестве сидератов – так называемых "зеленых удобрений", которые являются хорошими накопителями азота и обогащают почву (Плотникова Т. Удобряем и подкармливаем с умом // Litres, 20.12.2018 г. https://books.google.ru/books?id=NdoJAQAAQBAJ&lpg=PP1&hl=ru&pg=PP1#v=onepage&q&f=false).
При этом также известно, что крапива и люцерна богаты незаменимыми аминокислотами и эссенциальными элементами (Сошникова О.В. Изучение химического состава и биологической активности растений рода крапива: дис. канд. фарм. наук. - Курск, 2006. с.149; https://kora.ru/glossariy/lyutserna/), которые могут способствовать росту растений при использовании их экстрактов в составе удобрений.
Недостатками известных удобрений является их ограниченность действия во времени, а также недостаточная универсальность и эффективность ввиду того, что не все свойства крапивы и/или люцерны реализуются для целей удобрения растения.
Предлагаемый способ получения удобрения предполагает использование экстрактов крапивы и/или люцерны в составе так называемых цеолитных или диатомитных удобрений, обладающих высокой эффективностью.
Известен способ получения удобрения, содержащего модифицированный природный или синтетический цеолит, в порах которого абсорбирована основная L-аминокислота или смесь основных L-аминокислот, при этом в порах могут быть также абсорбированы другие компоненты, способствующие росту растений. Способ получения удобрения заключается в том, что цеолит промывают очищенной водой, добавляют к нему раствор L-аминокислоты (L-аминокислот) и выдерживают при перемешивании в течение 2-4 дней. Затем промывают цеолит очищенной водой и сушат в печи при 65° (WO 2017/222464 A1, 28.12.2017).
Известен способ получения комплексного удобрения на базе активированных дегидратированных природных цеолитов, содержащего смесь растворов гуминовых, фульвовых кислот и аминокислот в порах цеолита в количестве, не превышающем 1000 г на 1 тонну цеолита, а также раствор смеси азотного, фосфорного и калийного удобрения в порах цеолита в количестве не более 20 кг на 1 тонну цеолита. Способ получения данного удобрения заключается в том, что активированный дегидратированный природный цеолит, измельченный до размеров зерен 1-7 мм, обрабатывают водным раствором активных компонентов при интенсивном перемешивании и распылении раствора пульверизатором, не допуская изменения степени сыпучести цеолита, т.е. насыщая этим раствором микро- и макропоры цеолита (RU 2687362 C1, 13.05.2019).
Использование в известных способах в качестве активного компонента набора аминокислот сказывается на повышении стоимости удобрения, поскольку данные аминокислотные компоненты, как правило, сложны в приготовлении и имеют высокую стоимость на рынке. Предлагаемый способ получения органоминерального удобрения представляет собой альтернативное и более экономически выгодное решение по производству аналогичного по свойствам и эффективности натурального удобрения.
Техническая проблема, решаемая изобретением, заключается в расширении арсенала технических средств определенного назначения, а именно в создании способа получения органоминерального биоудобрения, обладающего высокой эффективностью, пролонгированным действием, и обеспечивающем возможность вносить в почву меньшие дозы удобрения.
Техническая проблема решается способом получения органоминерального биоудобрения, характеризующегося тем, что активированный дегидратированный цеолит или диатомит смешивают с распыляемым водным раствором, содержащим экстракт крапивы и/или экстракт люцерны, и перемешивают при подогреве до температуры от 30 до 80°С, при этом соотношение объема экстракта крапивы и/или экстракта люцерны и количества цеолита или диатомита взято из расчета от 1 до 3,5 л экстракта крапивы и/или экстракта люцерны на 1 тонну цеолита или диатомита.
В предпочтительном варианте активированный дегидратированный цеолит или диатомит получают путем механической и термической активации природного цеолита или диатомита, механическую активацию осуществляют путем дробления и рассева с выделением фракций более 0,1 мм, термическую активацию осуществляют во вращающейся печи с постепенным повышением температуры цеолита или диатомита по длине печи от 150°С до 600°С и затем с понижением на 100-200°С при общем времени пребывания в печи от 20 до 80 минут, а после термической активации осуществляют интенсивное охлаждение цеолита или диатомита до температуры не выше 90°С.
Обычно цеолиты и диатомиты определяют как трехмерные кристаллические структуры, имеющие однородные поры (необязательно только одного сечения) молекулярных размеров. Поскольку алюминий и кремний могут быть замещены соответственно на бор, галлий или германий, фосфор, то можно приготовить композиции разного состава, обладающие свойствами цеолитов и диатомитов обозначаемые как цеолито- и диатомитоподобные структуры.
Основой структуры цеолитов и диатомитов является почти правильный тетраэдр. Цеолиты имеют структуру из каркаса тетраэдров ((Si, Al)O4), где сбалансированы отрицательные заряды, главным образом Ca, Na, K. Каркас содержит крупные полости и каналы, в которых присутствуют молекулы воды. Катионы и молекулы воды слабо связаны с каркасом и могут быть частично или полностью замещены (удалены) путем ионного обмена и дегидратации, причем обратимо, без разрушения каркаса цеолита. Лишенный воды цеолит или диатомит представляет собой микропористую кристаллическую «губку», объем пор в которой составляет до 50% объема каркаса цеолита или диатомита. Дегидратированные цеолиты и диатомиты способны адсорбировать вместо воды другие вещества: аммоний, спирт, NO2, H2S, аминокислоты и т.д.
Каркасы цеолитов и диатомитов похожи на пчелиные соты и образованы из цепочек анионитов кремния и алюминия. Молекулярно-ситовые свойства цеолитов и диатомитов определяются эффективным диаметром «окон», которые, в свою очередь, зависят от геометрических размеров последних и наличия в них обменных катионов.
Но чтобы заставить цеолит или диатомит работать в нужном направлении, необходимо проводить его модификацию, которая включает в себя механическую активацию и термическую активацию.
Данный технологический процесс направлен на получение модифицированного цеолита или диатомита, который сможет обеспечить образование синергетического соединения с экстрактом крапивы и/или экстрактом люцерны, в результате модификации цеолита или диатомита. В результате его специальной подготовки экстракт частично проникает в полости цеолита или диатомита, и удерживается там до определенного времени. Данная технология позволяет увеличить срок годности удобрения до неограниченного времени. Когда удобрение попадает в почву, начинаются процессы взаимодействия цеолита или диатомита как носителя экстракта крапивы и/или экстракта люцерны. Удобрение имеет в себе 19 минеральных веществ, макро- и микроэлементы, в том числе азот, кальций и кремний. Имея слабые связи с молекулами цеолита, экстракт крапивы или экстракт люцерны совместно с макро- и микроэлементами цеолита и диатомита, образуют сложную структуру и беспрепятственно достигают корневой системы.
Важным  свойством  модифицированных  цеолитов и диатомитов  является  их пористость  –  доля  заполнения  объема  материала  порами. Общая пористость складывается из открытой и закрытой. Открытой пористостью материала называется объем тех пор, которые сообщаются с внешней средой. Их объем может быть измерен путем водонасыщения материала. Открытая пористость численно равна водопоглощению материала. Закрытую пористость вычисляют по разности между общей и открытой пористостью.
Модификация цеолита или диатомита проводится для увеличения открытой пористости, чтобы как можно больше пор были освобождены от примесей и воды для принятия экстракта крапивы или экстракта люцерны, или любого другого обогатителя. Пористость используемого модифицированного цеолита или диатомита в предлагаемом изобретении составляет от 45 до 75%.
Предложенный способ получения органических удобрений на основе модифицированного цеолита или диатомита, обогащенного экстрактом крапивы или экстрактом люцерны, состоит из трех основных этапов.
1 этап. Подготовка цеолита или диатомита к обогащению – процесс модификации или активации. Это механическая активация и термическая активация или дегидратация, т.е. процесс обжига и/или дегидратации на требуемых температурах, интенсивное охлаждение.
2 этап. Подготовка экстракта крапивы или экстракта люцерны к обогащению цеолита или диатомита – процесс дозирования, смешивания основных компонентов, получение нужной концентрации путем разбавления водой.
3 этап. Обогащение цеолита или диатомита экстрактом крапивы или экстрактом люцерны.
Далее производится фасовка полученного удобрения в биг-беги – полипропиленовые мешки с плотным полиэтиленовым вкладышем или другую тару по согласованию с потребителем.
Механическая и термическая активация цеолита или диатомита может осуществляться по известным технологиям, при этом при использовании такого цеолита или диатомита также достигается технический результат. Ниже приведен пример технологии, предпочтительно используемой в предложенном способе.
1 этап. Активация цеолита или диатомита.
Цеолит или диатомит, предназначенный для производства и прошедший входной контроль, поступает на участок механической активации, где за счет использования избирательного дробления и последующего рассева происходит обогащение цеолита или диатомита на 5-20%. Эффект избирательного дробления получается за счет того, что клиноптилалит, биокальцит, имеют значительно меньшую твердость, чем кварц и вулканическое стекло (примеси, содержащиеся в породе), а также различаются по плотности.
Механическая активация природного цеолита или диатомита позволяет изменять минералогический состав исходного сырья, а именно: очистить природный цеолит или диатомит от примесей и получить продукт с максимальным содержанием активного компонента – клиноптилалита и бентонита.
Сырье - природный цеолит или диатомит измельчают путем дробления на вальцах камневыделительных с последующим рассевом на ситах с отделением фракции до 0,1 мм, предпочтительно до 0,5 мм. Это пыль, которая, как правило, состоит из органических примесей, не соответствующих составу самого цеолита или диатомита, и также включает мелкий кварцевый песок, который ухудшает свойства конечного продукта. После механической активации, подготовленное сырье поступает на дальнейшую операцию термической активации.
При удовлетворительных результатах анализа производственного контроля, после механической активации полуфабрикат дробленого и фракционированного цеолита или диатомита поступает на специализированную установку термической активации, где при индивидуальных расчетных диапазонах температуры проводится дегидратация цеолита или диатомита, удаление цеолитной воды и газообразных примесей, которые цеолит или диатомит сорбирует в естественных условиях, а также органических примесей, находящихся в породе. Стадия термической активации полуфабриката проходит без нарушения структуры кристалла, термически активированный цеолит или диатомит сохраняет свои свойства, позволяет сохранить в неизменном количестве жизненно важные микроэлементы.
Термическая активация природного цеолита или диатомита позволяет значительно увеличить адсорбционную емкость – систему каналов и полостей, которая пронизывает кристаллы цеолита или диатомита. Эта система становится более доступной для адсорбируемых молекул, дегидратированные кристаллы цеолита или диатомита наиболее сильно проявляют молекулярно-ситовые эффекты, а также позволяет гарантировать  отсутствие патогенной микрофлоры в конечном продукте, что еще раз подтверждает безопасность продукта. Например, специфическая поверхность адсорбции, прошедшего термическую активацию, увеличивается более чем в 3 раза по сравнению с неактивированным цеолитом или диатомитом.
Для обеспечения равномерного фракционного состава конечного продукта, получения необходимых свойств, и равномерного процесса обогащения, цеолит или диатомит перед процессом дегидратации проходит технологический этап гранулирования на тарельчатом грануляторе. Размер получаемых гранул может регулироваться в диапазоне от 2 мм до 20 мм.
Преимущественно получают гранулы 2-6 мм, которые по ленточному транспортёру поступают во вращающуюся печь обжига. Количество материала, рассчитывается по производительности печи, и составляет 8-12 тонн в час.
При обжиге факел должен быть слабосветящимся, направление оси факела должно совпадать с осью печи, факел не должен касаться ни футеровки печи, ни материала, во избежание спекания материала. Расстояние корня факела до обреза печи должно составлять величину одного диаметра обечайки, а длина факела 0,1-0,2 от длины печи.
Печь условно разделена на 4 зоны:
1 зона - зона сушки. Длина зоны 25-40% от общей длины печи. Температура материала в данной зоне до 150°С.
2 зона - зона подогрева и химических реакций. Длина зоны 40-60% от общей длины печи. Температура в зоне от 150 до 600°С. В данной зоне происходят окислительно-восстановительные реакции.
3 зона - зона предварительного охлаждения. Длина зоны 5% от общей длины печи. Температура должна быть ниже температуры обжига на 100-200°С.
Обжиг материала происходит за счет соприкосновения последнего с обечайкой печи. Пламя факела не должно касаться обжигаемого материала. Материал, продвигаясь по печи обжига, должен соприкасаться с внутренней поверхностью печи, с футеровкой обечайки и при вращении подниматься на 2/3 внутреннего диаметра печи, а затем падать вниз. Температура обжига материала складывается из трех составляющих: температура газовой среды, она должна быть на 200°С выше температуры самого материала, температура внутренней поверхности печи, она должна быть на 100°С выше температуры материала, и температура самого материала.
Обожженный материал при выходе из печи обжига попадает в слоевой холодильник, где происходит его охлаждение и закалка, формирование наружного слоя. Интенсивное охлаждение дегидратированного цеолита или диатомита происходит до получения продукта с температурой не выше 90°С, предпочтительно не выше  20-40°С.
Температура обжига контролируется по температуре отходящих газов. Регулировка зон обжига производится при помощи вентилятора дымососа путем открывания и закрывания шибера, а также регулировкой подачи газа и соотношения воздуха, подаваемого на горение.
Время обжига составляет 20-80 минут в зависимости от длины печи, скорости ее вращения. На стадии обжига необходимо проводить операционный контроль: контролировать температуру отходящих газов, осуществлять визуальный контроль за факелом горелки и получаемой продукцией. Дегидратация цеолита или диатомита проходит при температуре 40-600°С. При данной температуре β-кварц переходит в α-кварц с коэффициентом расширения 1,082. При данной температуре открываются все каналы, удаляется вода и посторонние примеси, которыми насыщен природный цеолит или диатомит, а также происходит частичное деалюминирование – удаление свободного алюминия.
Влажность модифицированного цеолита должна быть в пределах 0,1-5%, не более.
Технологические параметры полученного модифицированного цеолита:
Внешний вид – гранулы серо-желтого цвета
Насыпная плотность – 650-700 кг/м3
Фракционный состав – 2-6 мм
рН водной вытяжки – 6,5-7
Водопоглощение – 35-65%
Пористость – 45-75
Влагоемкость – 3 литра воды на 1 кг цеолита
Нефтеемкость – 61%
Водоудерживающая способность – 96,13%
Теплопроводность – 0,08-0,11 Вт/м*К
Прочность при сдавливании в цилиндре – 4,5-11,0 МПа
Суммарная ионообменная (катионообменная) способность – 98,0 мг-экв/100г
Пористая микроструктура цеолитов и диатомитов, полученных предложенным способом, предопределяет возможность внедрения в них полезных компонентов, в частности, экстракта крапивы и/или экстракта люцерны, и создание на их основе высокоэффективных, экологически безопасных и экономически эффективных удобрений нового поколения.
Модифицированный цеолит или диатомит, обогащенный экстрактом крапивы и/или экстрактом люцерны, обладает высоким коэффициентом катионного обмена, который индуцируется при применении комбинации Цеолит+ Экстракт Крапивы и/или Экстракт Люцерны с почвой, по разности потенциалов, существующей в ближней зоне около корневой системы растений. Цеолит+Экстракт Крапивы и/или Экстракт Люцерны, нагруженный ионами, содержащими N, P, K, и микроэлементами, являясь отличным транспортером этих ионов, вплоть до зоны микроворсинок корневой системы, обеспечивая таким образом питание растения тогда, когда оно его требует, с максимальной эффективностью.
2 этап. Подготовка экстракта крапивы и/или экстракта люцерны.
В кубические емкости поступает вода. Воду используют предпочтительно дистиллированную, подогретую до 35-50°С. Одновременно используют две кубовые емкости по 900 литров воды в каждой.
Далее отмеряют и выливают в емкости экстракт крапивы и/или экстракт люцерны в определенном количестве.
При помощи маленького глубинного насоса на небольшой скорости осуществляют перемешивание всех компонентов до однородного состояния. Перемешивание идет медленно, чтобы избежать образования пены. Далее подготовленная смесь подается по резиновым трубопроводам в расходный бак смесительной установки.
3 этап. Процесс обогащения модифицированного цеолита экстрактом крапивы и/или экстрактом люцерны.
В данном технологическом процессе приведен пример его осуществления с использованием технологической линии БСУ-60 производства Ярославского завода АОА "Стройтехника".
Основной единицей данной технологической линии является бетоносмеситель СБ-138Б (1500 л.) для изготовления строительных растворов, бетонных смесей, для перемешивания различных сыпучих компонентов и приготовления многокомпозиционных смесей на производственных линиях различных предприятий. Бетоносмеситель СБ-138Б относится к смесителям с принудительным способом перемешивания и цикличного действия. Основным рабочим органом этой установки являются смесительные лопасти. Для загрузки компонентов в бетоносмеситель предназначена его часть, которая называется скип и представляет собой подъемный саморазгружающийся короб. Расходный бункер, в котором находится модифицированный цеолит или диатомит, оснащен системой подогрева.
Процесс обогащения начинается с взвешивания и подачи модифицированного цеолита или диатомита при помощи самозагружающего скипового подъемника в смеситель. Дозирование производится при загрузке цеолита модифицированного из расчета на 1 биг-бег, т.е. 1 м3, что соответствует 650 кг. Далее в смеситель подают через разбрызгиватель водную смесь экстракта крапивы и/или экстракта люцерны при постоянном перемешивании.
Весь процесс автоматизирован, управляется из операторской через компьютер по заданной программе. Расчетное время подачи водного раствора экстракта крапивы и/или экстракта люцерны, составляет 6 мин. Это время было выбрано после ряда проведенных смешиваний. На 650 кг модифицированного цеолита или диатомита подают 40-50 литров водного раствора из экстракта крапивы и/или экстракта люцерны. Перемешивание идет очень хорошо, практически все гранулы подвергаются смачиванию. Полученная смесь модифицированного цеолита с водным раствором из экстракта крапивы или экстракта люцерны имеет влажность 2,0-4,0%.
Для улучшения адсорбционной способности цеолита или диатомита, перед смешиванием его с экстрактом крапивы и/или экстрактом люцерны, производят его подогрев до температуры 30-80°С. В данные конструкции для обогащения цеолита питательными веществами – экстрактом крапивы и/или экстрактом люцерны, установлены распылители.
Для наиболее эффективной адсорбции питательных веществ в цеолит или диатомит играют важное значение количество и время распыления подаваемого раствора из экстракта крапивы и/или экстракта люцерны, и самое главное – температура подогрева смеси.
1. Количество подаваемого раствора экстракта крапивы и/или экстракта люцерны - 40-50 литров на тонну модифицированного цеолита или диатомита.
2. Время распыления - 5-7 мин.
3. Температура подогрева материала цеолита или диатомита - от 30 до 50°С
Объем экстракта крапивы и/или экстракта люцерны и его концентрация рассчитываются исходя из соотношения от 1 до 3,5 л на 1 тонну цеолита или диатомита.
Данная технологическая установка позволяет проводить распыление экстракта крапивы и/или экстракта люцерны, перемешивание их с цеолитом при строго заданном температурном режиме. Технологический процесс позволяет повысить эффективность обогащения модифицированного цеолита или диатомита с экстрактом крапивы и/или экстрактом люцерны.
Приведенные значения объема подаваемого экстракта крапивы и/или экстракта люцерны, являются частным примером и могут отличаться в зависимости от концентрации раствора, от требований, предъявляемых к конечному продукту, от свойств используемого цеолита или диатомита, его способности поглощать воду без разрушения.
Получаемое органическое биоудобрение включает в себя дегидратированный цеолит или диатомит с внедренным в его поры экстрактом крапивы и/или экстрактом люцерны с пористостью модифицированного цеолита от 45 до 75% и с размером фракции гранул от 0,5 до 6 мм.
Массовая доля питательных элементов в органическом удобрении в % в пересчете на сухое вещество составляет не менее:
азот общий
0,8
фосфор общий, в пересчете на Р<sub>2</sub>О<sub>5</sub>
0,6
калий общий, в пересчете на К<sub>2</sub>О
0,3
Были проведены полевые испытания предложенного удобрения. Испытания проводились под контролем ООО «Объединение производителей органических удобрений ЗЕО БИО» в фермерском хозяйстве «Огород» Крымского района Краснодарского края в период с 25 мая по 15 сентября 2019 г.
Влияние удобрений на урожайность огурцов и помидор в открытом грунте представлено в таблице.
Вариант
Огурцы
Помидоры
Урожайность (т/га)
Отличие от контроля
Урожайность (т/га)
Отличие от контроля
т/га
%
т/га
%
Контроль+N90 +P90 +K90
4,24
-
-
5,58
-
-
Цеолит/Диатомит 200 кг/га
4,58
0,34
+ 8
6,20
0,62
+ 11
Обогащённый цеолит/диатомит, 100кг/га
5,87
1,63
+ 38
8,75
3,17
+ 57
Цеолит/диатомит +N90+P90+K90, 200 кг/га
5,08
0,84
+ 20
7,61
2,03
+ 36
Результаты испытаний показали, что внесенные 200 кг чистого цеолита превышают контроль, это объясняется благоприятным воздействием цеолита (диатомита) на свойства почвы (агрофизические, агрохимические, биологические).
Наиболее высокую урожайность томатов и огурцов обеспечило применение цеолита (диатомита) обогащённого раствором экстракта крапивы и/или люцерны в количестве 100 кг/га, и составила от 38 до 57%.
Проведенные испытания свидетельствуют о том, удобрения с  использованием цеолита или диатомита, обогащенного раствором экстракта крапивы и/или люцерны, могут быть незаменимым органическим удобрением для сельскохозяйственных культур.
Водяной раствор экстракта крапивы и/или люцерны легко втягивается в поры цеолита или диатомита и также легко высвобождается при внесении в почву, обогащая её доступным азотом и активирует деятельность микроорганизмов, а также происходит пролонгация этого удобрения в почве как минимум 3 года.
Обогащённые раствором экстракта крапивы и/или люцерны цеолиты или диатомиты являются высокоэффективным и экологически безопасным удобрением для сельскохозяйственных культур.