Статья: Механохимическая технология переработки коры сосны обыкновенной (Pinus sylvestris) в жидкое гуминовое удобрение

* Югорский государственный университет

**Технопарк высоких технологий

Механохимическая технология переработки коры сосны обыкновенной (Pнnus sylvйstris) в жидкое гуминовое удобрение

Дудкин Д.В.*, Федяева И.М.**

Аннотация

В работе представлена малоотходная технология получения жидких гуминовых удобрений из смеси коры сосны обыкновенной и торфа. В основе технологии впервые применен механохимический способ переработки смеси высокоэнергетических органических веществ, основанный на кавитационной механоактивации протекающих химических процессов.

Ключевые слова: технология, удобрения, гуматы, кора сосны обыкновенной, торф, жидкое гуминовое удобрение, механохимический, кавитация

Введение

Широкое развитие биолого-органических систем земледелия делает все более востребованным рынком гуминовые препараты [1-3]. Ожидаемый взрывной рост производства гуминовых препаратов обусловлен тем, что: 1) их применение является абсолютно безопасным для человека и окружающей среды [1, 2]; 2) их применение повышает естественно-антропогенное плодородие почвы [1, 2, 4, 5]; 3) себестоимость их производства может быть существенно снижена с привлечением аппарата механохимии [6, 7]; 4) для их производства используется дешевое, повсеместно распространенное в нашей стране возобновляемое сырье - торф и отходы биомассы дерева [7-10].

Доказана высокая эффективность гуминовых препаратов на широком перечне сельскохозяйственных культур [11-17]. Однако практика их широкого использования в качестве агрохимикатов сдерживается химической неоднородностью торфяного сырья [18]. Так, согласно ГОСТ Р 54249-2010, в рамках используемых технологий получения большая часть торфяных месторождений Западной Сибири вследствие низкой степени разложения и высокой доли сфагновых видов торфа является непригодной для получения гуминовых кислот. Это создает ряд трудностей в окультуривании земель таежной зоны Западной Сибири - территории с наибольшими запасами торфа [19].

Цель работы: создание экономически целесообразной и экологически безопасной технологии получения жидких гуминовых удобрений, позволяющей использовать в качестве органического сырья, наряду с торфом, малоликвидного крупнотоннажного отхода лесопильного производства Западной Сибири - кору сосны обыкновенной.

Экспериментальная часть

Анализ основной массы лесотехнических отходов, образующихся на территории ХМАО - Югры, которые могут быть потенциально использованы в качестве вторичного растительного сырья при производстве опытного образца жидкого гуминового удобрения «Лигновит», показал, что наименее ценным и наиболее распространенным отходом является кора хвойных пород, которая на 95% состоит из коры сосны обыкновенной (Pinus Sylvestris).

Годовой объем накопления данного отхода на лесопильных предприятиях ХМАО - Югры составляет 11,3 тыс. м³. Кора сосны имеет насыпную плотность в воздушно-сухом состоянии 126 кг/м³ при цене в 50 руб./м³. Данный вид сырья был апробирован авторами наряду с опилом гидролизным сосны обыкновенной.

Исследования показали, что такое сырье, как кора, является более удобным для переработки, так как упраздняется одна из стадий переработки, кроме того, данный отход образуется в объемах, многократно превышающих объемы потребления создаваемого производства.

Поскольку создаваемое производство не испытывает потребности в больших объемах получения опытного образца «Лигновит», а также на сегодняшний момент не существует крупнотоннажных аппаратов, генерирующих ультразвук посредством эффекта кавитации, созданная укрупненная промышленная установка реализована по циклическому типу производства на базе аппарата конструкции А.Д. Петракова.

Использование нескольких аппаратов (в нашем случае двух) позволяет варьировать производительность технологической линии производства опытного образца «Лигновит».

При этом дальнейшее увеличение масштабов производства не потребует корректировки технологических условий производства опытного образца «Лигновит», а также будут сохраняться как принципиальная технологическая схема, так и технологический регламент и технические условия производства опытного образца «Лигновит».

Схожесть технологических схем производства «Лигновит» и «Гумовит» принципиально позволяет производить их на одной производственной линии без перестройки оборудования.

В 2014 году компанией ООО «ХимТехнологии» в рамках выполнения НИОКР по теме: «Разработка, изучение агрохимической безопасности и эффективности применения опытных образцов удобрений Гумовит и Лигновит в растениеводстве» при финансовой поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Фонда содействия инновациям) создана укрупненная опытно-промышленная установка по производству жидких гуминовых удобрений «Лигновит».

Принципиальной основой для создания установки послужил механохимический способ гумификации растительного сырья [9]. Производительность установки составляет 250 тыс. литров в год.

Установка включает в себя три основных блока: блок подготовки сырья, реакторный блок, блок выделения продукта и его розлива (рис. 1).

Блок подготовки сырья включает в себя стадии сушки вторичного растительного сырья, производимой в сушильных шкафах (1) при температуре 80єС, и последующего измельчения до фракции не более 3 мм на молотковой дробилке (2) и виброцентробежной мельнице (3) до заданного фракционного состава (табл. 1).

Высушенное до воздушно-сухого состояния (15-20 % влаги) вторичное растительное сырье поступает через весовые мерники (4) в реакторный блок (8), включающий в себя сам реактор (6) и аппарат конструкции Петракова А.Д. (7). Через мерники (4, 5) в реакторный блок также подается гидроксид калия и вода.

В реакторном блоке происходит смешение компонентов.

Под действием механохимического воздействия, оказываемого на растительное сырье, в реакторном блоке происходит процесс образования действующего вещества получаемого опытного образца «Лигновит», сопровождающийся его экстракцией в водно-щелочной раствор.

Таблица 1. Оптимальные условия для получения действующего вещества гуминового удобрения «Лигновит»

почва плодородие гуминовый удобрение дерево

В результате описанных химических превращений в реакторном блоке постепенно образуется продуктовая суспензия, состоящая из опытного образца «Лигновит» - гуминовых кислот и не вступившей в реакцию твердой фазы - вторичного растительного сырья.

Технологическая связь между блоком подготовки сырья и реакторным блоком осуществляется с помощью ручного труда. По завершении процесса продуктовая суспензия перекачивается посредством аппарата конструкции Петракова А.Д. (7) в сборник суспензии (10) через трехходовой кран (9), где происходит процесс отделения твердой фазы от жидкого продукта путем отстаивания осадка. Далее через соответствующее технологическое отверстие продукт периодически самотеком выводится на центрифугу (11) для полного разделения осадка и продукта. После центрифугирования продукт фасуется в полиэтиленовую тару, получает тарную этикетку и направляется на склад готовой продукции. Твердый остаток выводится из установки для вторичных процессов его переработки.

Готовой продукцией является 1% (масс.) водно-щелочной раствор гумата калия, получаемый в результате окислительно-конденсационных трансформаций растительного сырья, инициированного механохимическим воздействием, далее очищенный в узле сепарации и используемый в качестве товарной продукции - жидкий гуминовый препарат «Лигновит».

Обсуждение результатов

Поиск оптимальных условий процесса проводился на описанной выше укрупненной опытно-промышленной установке. Эффективный объем реактора, используемого в установке, составил 50 дм³. Влажность отходов лесопиления контролировалась по ГОСТ 11305-83, фракционный состав - ситовым методом (без промывки) по ГОСТ 12536-79.

Оптимальные условия для получения действующего вещества опытного образца «Лигновит» - гуминовых кислот, приведены в таблице 1.

Предпочтительной потребительской формой подобного рода препаратов является водно-щелочной раствор с концентрацией действующего вещества в препарате 1% и pH рабочего раствора менее 10 единиц. В связи с этим технологические инструкции ведения процесса, направленного на получение опытного образца «Лигновит», применительно к реакторному блоку созданной укрупненной опытно-промышленной установки, должны включать в себя следующие технологические параметры: продолжительность процесса механохимического воздействия - 30 минут, масса навески гидроксида калия - 0,77 кг, объем воды - 30 литров, масса вторичного растительного сырья - 0,60 кг.

Поскольку существовала опасность получения опытного образца с низкой биологической активностью, ввиду специфичности химического состава вторичного растительного сырья (высокого содержания танинов), для его получения было применено два вида сырья: вариант А - окор сосны обыкновенной в смеси с торфом (массовое соотношение 1:1) и вариант Б - окор сосны обыкновенной. Химический состав готовой продукции, наряду с действующим веществом - гуматом калия, включает в себя растворенные углеводы - пентозаны и гексозаны, элементы питания, такие как калий, фосфор, кальций. Проведенные исследования опытных образцов «Лигновит» показали отсутствие превышения для данной группы агрохимикатов ПДК тяжелых металлов и, в соответствии с требованиями СанПиН 2.6.1.2523-09 «Нормы радиационной безопасности», по уровню удельной эффективной активности A_эфф естественных радионуклидов (ЕРН) опытный образец «Лигновит» относится к I классу (A_эфф< 370 Бк/кг).

Наряду с химическими исследованиями проведена агрономическая оценка биологической активности препаратов с целью выявления наиболее активного варианта препарата «Лигновит». По результатам агрономических испытаний опытных образцов «Лигновит» на всхожесть, выживаемость растений яровой мягкой пшеницы, величину её урожая сделаны следующие выводы.

1. Применение препаратов «Лигновит» вариант А и «Лигновит» вариант Б при замачивании семян и по вегетации увеличивало общую выживаемость растений по отношению к контролю на 9,4 и 3,1 %, соответственно.

2. Использование препарата «Лигновит» вариант А приводило к существенному увеличению количества продуктивных стеблей (с 8,3 до 12,0 шт.) и массы растений (с 10,9 до 15,1 г) по отношению к контролю. Применение препарата «Лигновит» вариант Б приводило к увеличению массы растений с 10,9 до 13,4 г.

3. Использование препарата «Лигновит» вариант А позволило увеличить массу зерен с одного растения по отношению к контролю с 0,12 до 0,21 г.

4. Наибольшая биологическая урожайность (76,3 г/м²) отмечена на варианте с использованием препарата «Лигновит» вариант А, и, следовательно, можно рекомендовать в производство именно этот прототип в качестве гуминового удобрения «Лигновит».

Основными количественными показателями, характеризующими массовую долю действующего вещества в продукции, являются плотность продукта и массовая доля гуминовых кислот. Основными качественными показателями являются: показатель преломления, массовые доли калия, фосфора, кальция, характеризующие биологическую активность продукции.

Торф, используемый в качестве сырья для производства «Лигновит», должен удовлетворять требованиям уровня качества, представленным в таблице 2.

Таблица 2. Показатели качества торфа для производства удобрения «Лигновит»