ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СПОСОБ БАРОТЕРМИЧЕСКОЙ

Химия растительного сырья. 2003. №2. С. 55–58
УДК 665.7.032.53
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СПОСОБ БАРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
ТОРФА

А.Н. Трофимов1, А.М. Белоусов2*
1
Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН,
ул. Социалистическая, 1, Бийск, 659322 (Россия)
2
Бийский технологический институт Алтайского государственного
технического университета им. И.И. Ползунова, ул. Трофимова, 27, Бийск,
659305 (Россия) E-mail: [email protected]
В статье изложен способ баротермического воздействия на нативный торф в целях большего получения
биологически-активных (гуминовых) веществ в менее агрессивных средах.
Введение
Образование гуминовых веществ (ГВ) – не просто утилизация органических остатков, которая
необходима в биосфере, важнее то, что при этом возникает новый класс природных соединений, не
существующих в живых организмах, но необходимых для существования и обеспечения непрерывности
жизненных форм.
Все ГВ образуются в результате постмортального (посмертного) превращения органических остатков.
Превращение органических остатков в ГВ получило название процесса гумификации [1]. Он идет вне
живых организмов как с их участием, так и путем чисто химических реакций окисления, восстановления,
гидролиза, конденсации и др. В отличие от живой клетки, в которой синтез биополимеров осуществляется
в соответствии с генетическим кодом, в процессе гумификации нет какой-либо установленной программы,
поэтому могут возникнуть любые соединения, как более простые, так и более сложные, чем исходные
биомолекулы. Образующиеся продукты вновь подвергаются реакциям синтеза или разложения, и такой
процесс идет практически беспрерывно [2].
Одним из перспективных источников ГВ является торф, который покрывает 4 млн. км2 всей суши, а
торфяники Западной Сибири общепризнаны как природный феномен, с запасами торфа в 108 млрд. т.
Разработана классификация торфов, в которой выделяется 40 видов, разделенных на три типа:
низинный, переходный, верховой. В каждом типе выделено три подтипа, которые делятся на группы, а
последние – на виды. Ботанический вид торфообразователей имеет свой характерный, присущий данному
виду химический состав, который в свою очередь обусловливается уровнем интенсивности
микробиологического распада [3].
ГВ торфа представляют собой смесь высокополимеров с разным молекулярным весом. Макромолекулы
ГВ включают упорядоченные конденсированные ядра и неупорядоченную периферийную часть. При ядре
и боковых участках макромолекул ГВ находятся способные к диссоциации кислотные и основные группы,
придающие этим соединениям свойства полиэлектролитов [4].
Гуминовые соединения имеют аморфную структуру, ассоциаты макромолекул которых образуются в
результате непосредственного взаимодействия функциональных групп, а также через молекулы воды и
*
Автор с которым следует вести переписку.
А.Н. ТРОФИМОВ, А.М. БЕЛОУСОВ
56
многовалентные ионы [5]. В торфах Западной Сибири на долю ГВ приходится до 70% органической части
торфа.
Торф по химическому составу занимает промежуточное положение между растительным сырьем и
твердыми горючими ископаемыми. Большой класс материалов может быть получен на основе гуминового
комплекса. Это стимуляторы роста растений и почвообразующей биоты, красители, ингибитор коррозии и
патогенных микроорганизмов. Помимо этого, они обладают протекторными функциями, связывая в
малоподвижные или трудно диссоциируемые соединения токсичные и радиоактивные элементы, а также
соединения, негативно влияющие на экологию. Например, они могут инкорпорировать пестициды,
некоторые углеводороды, фенолы [6].
Фрагменты гуминовых кислот с помощью углеаминоводородных связей образуют цепочки,
формирующие молекулы, которые в естественном состоянии свернуты в «клубок – спираль». «Клубок –
спираль» образует крупные агрегаты, формирующие органическую часть почвы – гумус.
Вследствие плохой растворимости в воде биологическая активность природных ГВ очень мала.
Обработка ГВ щелочными металлами переводит их в водорастворимые соли – например, гуматы натрия
или калия – натриевые или калиевые соли гуминовых кислот, что позволяет существенно повысить их
биологическую активность.
Схематично данный процесс можно представить уравнением:
Т + NаОН = ГК – СООNа + ГМК – СООNа + ФК – СООNа,
где Т – торф; ГК – радикал гуминовой кислоты; ФК – радикал фульвокислоты; ГМК – радикал
гиматомелановой кислоты.
В промышленности реализованы способы получения солей гуминовых кислот, заключающиеся или в
жидкой щелочной экстракции без предварительной обработки исходного сырья [7], или с предварительной
механической деструкции на шаровых мельницах с введением сухой щелочи и последующим
обезвоживанием (сушкой) получаемого продукта [8].
Однако недостатками этих способов является низкое содержание в конечном продукте биологически
активных веществ (ГВ), т.е. исходные компоненты используются не оптимально. А наличие в одном из
способов этапа сушки делает этот процесс достаточно энергоемким и требует серьезного аппаратурного
оформления, что усложняет технологическую схему.
Кроме того, реализация этих способов не затрагивает молекулярную корпоративность нативного торфа.
Экспериментальная часть
Рассмотрен способ, позволяющий получать большее, чем по ранее известным, количество ГВ и
использовать меньшее количество агрессивного реагента (щелочи) (рис. 1).
В эксперименте использовался торф низинного типа травяной группы с кислотностью около 5.0,
степенью разложения около 30%, с содержанием N – 2,1%, Р – 0,2%, К – 0,1% (в % на сухой торф) и
влажностью 70–75%.
Сущность метода заключалась в предварительной обработке исходного материала (торфа)
баротермическим способом, в результате которого лигно-целлюлозный комплекс подвергался большей
деструкции, чем при обычном измельчении, увеличивая доступность нативных ГВ для экстракции (рис.1).
Как видно из графика, содержание ГВ торфа «баротермического» при концентрации щелочи в 15%
составляет около 15 г/л, а у измельченного традиционно (при рекомендованной по технологии
концентрации щелочи в 20%) выход ГВ – около 9 г/л.
Методика обработки заключается в следующем: нативный торф поступает в кубовый бункер –
ворошитель, где перемешивается с щелочным агентом (NaOH) в пропорции 8,5 : 1,5 соответственно (в
весовом отношении). Из бункера-ворошителя шнеком-дозатором смесь подается в баротермический узел,
где происходит деструкция компонентов до размера частиц не более 0,025 мм, влажностью до 12%, после
чего продукт выгружается в приемную емкость.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СПОСОБ БАРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТОРФА
57
Рис. 1. Выход ГВ из торфа в зависимости от концентрации щелочи (ось у – выход гуминовых веществ г/л,
ось х – концентрация щелочи в %)
Обработка исходных компонентов с помощью вальцов, оснащенных встроенными теплообменниками и
рифлями (рис. 2), позволяет осуществлять воздействие на исходную смесь давлением, трением и
повышением температуры одновременно.
Рис. 2. Баротермический узел
А.Н. ТРОФИМОВ, А.М. БЕЛОУСОВ
58
Давление регулируют зазором между вальцами, температуру с помощью теплообменников, время
установлено опытным путем и зависит от качества и количества исходного компонента. Рифли на вальцах
увеличивают площадь контакта компонента с вальцами и создают тем самым дополнительные
возможности воздействия трением, давлением и температурой.
Зазором между вальцами устанавливают давление 5–6 атм. И с помощью встроенных теплообменников
устанавливают температуру 80–90 °С. Время обработки на вальцах составляет около 15 мин.
Выводы
Таким образом, предлагаемый способ обработки нативного торфа позволяет сократить применение
щелочи в 1,3 раза, увеличить выход ГВ в 1,5 раза и может служить основой для получения базового
материала при разработке биопротекторов.
Список литературы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. М., 1990. 325 с.
Горовая А.И., Орлов Д.С., Щербенко О.В. Гуминовые вещества. Киев, 1995. 304 с.
Гуминовые вещества в биосфере / Под ред. Д.С. Орлова. М., 1993. 238 с.
Орлов Д.С., Гришина Л.А. Практикум по химии гумуса. М., 1981. 272 с.
Тейт Р. Органическое вещество почвы. М., 1991. 400 с.
Орлов Д.С. Гуминовые вещества в биосфере. М., 1997. 400 с.
Патент РФ №2015949 от 15. 07. 1994 г.
Патент РФ №2075466 от 20.03.1997 г.
Поступило в редакцию 29 июля 2003 г.
После переработки 27 августа 2003 г.