способ получения гумино-минерального концентрата

Формула изобретения

1. Способ получения гумино-минерального концентрата солей гуминовых кислот путем электролиза водной щелочной суспензии измельченного каустобиолита в процессе экстракции щелочным реагентом с образованием целевого продукта и выводом его из электролита, отличающийся тем, что в качестве каустобиолита берут торф, в суспензию которого дополнительно добавляют щелочной компонент в количестве, достаточном для обеспечения модуля кислотности в интервале рН 9-12 и после механо-химической обработки его подвергают электролизу с одновременной подачей в межэлектродное пространство водного раствора перекиси водорода с концентрацией 6-30% в количестве, обеспечивающем при заданной скорости циркуляции суспензии накопление растворимых гуминовых соединений.

2. Способ получения гумино-минерального концентрата по п.1, отличающийся тем, что электролиз ведут путем подачи на симметричные инертные электроды токовых импульсов, которые определяют, исходя из математической зависимости:

Y(t)=X(t)-X(t-T),

где X(t) - значения тока, как функции времени для

прямоугольных однополярных токовых импульсов с частотой 0,05-5,0 Гц и со скважностью 2,0-3,0.

Т - период следования прямоугольных импульсов;

Y(t) - значение тока, подающегося на электроды, как функция времени.

3. Способ получения гумино-минерального концентрата по п.1, отличающийся тем, что электролиз ведут при плотности тока 200-600 А/м ², а суспензию между электродами пропускают до полного ее истощения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства органо-минеральных удобрений, мелиорантов, кондиционеров почв; органо-минеральных препаратов, сорбентов, флокулянтов, коагулянтов, а также органо-минеральных веществ с поверхностно-активными, ионообменными, вяжущими и биологически активными свойствами. Изобретение может найти применение в сельском хозяйстве для восстановления свойств и плодородия почв, для увеличения урожайности сельскохозяйственных культур; в коммунальном хозяйстве для очистки сточных вод и утилизации осадков, для восстановления естественного почвенного покрова, для восстановления свойств и улучшения состояния городских земель, для детоксикации и утилизации бытовых и промышленных отходов; в инженерной экологии для рекультивации нарушенных, загрязненных и деградированных земель и территорий, для утилизации жидких и твердых отходов, а также в деятельности природоохранных и природовосстановительных предприятий. Источником получения гумино-минерального концентрата в рамках данного изобретения является широко распространенный в природе торф и гумиты (почва, озерные и морские донные отложения), а также продукты переработки органических материалов (компосты).

Известен способ получения гуминового концентрата (патент РФ № 2125039, МКИ: С07С 63/33, оп. 20.01.99) путем осуществления электролиза жидкофазной щелочной среды солей гуминовых кислот, экстрагированных щелочным реагентом из природных гумитов и каустобиолитов угольного ряда с образованием целевого продукта и выводом его из электролита. В качестве жидкофазной щелочной среды солей гуминовых кислот используют их водный раствор. Электролиз проводят в единой зоне между анодом и катодом при установлении на аноде электрического потенциала, достаточного для разряда анионов гуминовых кислот, но более низкого, чем потенциал разряда гидроксильных ионов. На поверхности анода образуется целевой гуминовый концентрат, содержащий гидратированные гуминовые кислоты, соли гуминовых кислот и минеральные компоненты исходных гумитов и каустобиолитов угольного ряда, химически связанные с содержащимися в гуминовом концентрате гуминовыми кислотами.

Недостатком известного способа является то, что электролиз водного раствора солей гуминовых кислот требует тщательной очистки раствора, получаемого экстрагированием гуминовых кислот щелочным реагентом из природных гумитов и каустобиолитов угольного ряда, от минеральных, углеродных и органоминеральных частиц исходного сырья, что достигается длительным отстаиванием (от нескольких часов до нескольких суток), фильтрацией или центрифугированием. В результате такой очистки резко падает производительность, усложняется процесс и увеличивается стоимость целевого продукта, а электролиз раствора солей гуминовых кислот в единой зоне между анодом и катодом без правильной организации движения электролита по отношению к аноду приводит к тому, что при выделении на аноде гуминового концентрата в ближайших зонах электролита резко возрастает рН, в результате чего выделившаяся кислота вновь начинает растворяться и из раствора удаляется лишь ее малая часть, а это значительный нерациональный расход электроэнергии и небольшой выход целевого продукта по току. Вследствие возникновения динамического равновесия между процессами выделения кислоты на аноде и ее растворения в сильно щелочной среде установить электрический потенциал на аноде, достаточный для разряда анионов гуминовых кислот, но более низкий, чем потенциал разряда гидроксильных ионов не представляется возможным. Потенциал необходимо устанавливать более высоким, в результате чего в электролите происходит интенсивный электролиз воды с выделением водорода на катоде и кислорода на аноде. Все это приводит к увеличению непроизводительного расхода электроэнергии, что снижает эффективность и производительность процесса. Кроме того, из-за большой силы трения в зоне соприкосновения анода и скребка происходит разрушение анода. Даже использование анода с поверхностным покрытием из дорогостоящей двуокиси рутения не решает проблему стойкости электродов.

Все эти недостатки делают известный способ малоэффективным, непроизводительным, энергоемким и малоприменимым для использования в промышленных целях.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения гумино-минерального концентрата (см. описание к патенту РФ № 2175651 от 24.04.2000 г.) путем электролиза жидкофазной щелочной среды солей гуминовых кислот в водной суспензии измельченного гумифицированного материала, экстрагированного щелочным реагентом с образованием целевого продукта и выводом его из электролита. Электролиз водной суспензии солей гуминовых кислот проводят с протеканием электрофореза тонкодисперсных гумино-минеральных частиц и комплексов с образованием на поверхности анода гумино-минеральных веществ. При этом устраняется необходимость тонкой очистки электролита от минеральных, углеродных и органоминеральных частиц исходного сырья для получения раствора солей гуминовых кислот.

Недостатком этого способа является то, что в качестве источника гуминовых соединений используют водную суспензию солей гуминовых кислот, полученную щелочной экстракцией природных гумитов и каустобиолитов угольного ряда и содержащую, преимущественно соли гуминовых кислот и тонкодисперсные гумино-минеральные частицы и комплексы. Это может быть эффективным лишь применительно к бурым углям, содержащим повышенный процент исходных гуматов и не рассматриваются каустобиолиты торфяного ряда. Но и в этом случае экстракция 1-2% водным раствором щелочи требует значительного времени, а количество получаемых гуматов ограничено природным содержанием растворимых гуматов в природных каустобиолитах, что ограничивает производительность способа. Кроме того, известный способ требует применения электрохимической установки с большим количеством движущихся частей, что резко повышает эксплуатационные расходы.

Техническая задача изобретения - извлечение биологически активных веществ (гуминовых кислот) из каустобиолитов торфяного ряда и снижение энергоемкости процесса получения гумино-минерального концентрата.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе получения гумино-минерального концентрата солей гуминовых кислот путем электролиза водной щелочной суспензии измельченного каустобиолита в процессе экстракции щелочным реагентом с образованием целевого продукта и выводом его из электролита, в качестве каустобиолита берут торф, в суспензию которого дополнительно добавляют щелочной компонент в количестве, достаточном для обеспечения модуля кислотности в интервале рН 9-12, и после механохимической обработки (истирания) его подвергают электролизу с одновременной подачей в межэлектродное пространство водного раствора перекиси водорода с концентрацией 6-30% в количестве, обеспечивающем при заданной скорости циркуляции суспензии накопление растворимых гуминовых соединений. Механохимическая обработка наряду с увеличением активной поверхности частиц торфа обеспечивает повышение реакционной способности гуминовых соединений перед их электрохимической обработкой. В качестве щелочного компонента используют щелочи или соли щелочных металлов и слабых кислот: КОН, К₂СО ₃, NaOH, Na₂CO₃ и другие. Щелочь в растворе обеспечивает: переход гуминовых соединений из частиц торфа в раствор в форме гуматов, разрушение комплексных соединений гуминовых кислот и ионов распространенных металлов (Fe, Ca, Mg) с переходом последних в окисную нерастворимую форму (за исключением металлов с выраженной амфотерностыо -Al) и оптимальный уровень окислительной активности для перекиси водорода. Перекись водорода производит окислительную деструкцию полимерных молекул гуминовых соединений и, как следствие, обеспечивает появление в растворе широкой гаммы гуминовых (оксигуминовых) кислот с уменьшенными значениями молекулярных масс, а также осуществляет перевод ионов металлов переменной валентности в более высокое валентное состояние Fe(III), Cr(III) с последующим осаждением окислов и полную дезинфекцию суспензии и уничтожение патогенной флоры в ванне. Электролиз в суспензии с пониженным уровнем текучести создает участки с перенасыщением по концентрации реакционно-активных радикалов с высоким уровнем окислительной и восстановительной активности.

Электролиз ведут путем подачи на симметричные инертные электроды токовых импульсов, которые определяют исходя из математической зависимости:

Y(t)=X(t)-X(t-T),

где: X(t) - значения тока, как функции времени для прямоугольных однополярных токовых импульсов с частотой 0,05-5,0 Гц и со скважностью 2,0-3,0;

Т - период следования прямоугольных импульсов;

Y(t) - значение тока, подающегося на электроды, как функция времени.

Кроме того, электролиз ведут при плотности тока 200-600 А/м ², а суспензию между электродами пропускают до полного ее истощения.

Заявляемый способ реализуется устройством для получения торфяного концентрата (см. чертеж), обогащенного растворимыми гуминовыми соединениями (гуматами), которое содержит соединенные с источником электрического тока (1) симметричные неподвижные графитовые электроды (2, 3), расположенные в трубчатом проточном электролизере (4), и реактор (5) с перемешивающим устройством (6) и нагревателем (7), снабженный также промышленным рН-метром с датчиком рН (8) и пробоотборником (9), штуцером (10) для подачи перекиси водорода от дозирующего устройства (11), устройством для перетирания твердых включений (12), подсоединенным на всас к насосу-дозатору (13), с регулируемой скоростью подачи суспензии в нижнюю часть расположенного вертикально проточного электролизера (4), в верхней части которого расположен сливной патрубок (13) для возвращения суспензии из электролизера в реактор (5).

Заявляемый способ осуществляли следующим образом.

Пример 1. В исходную водную суспензию торфа с заданной концентрацией твердой фазы (60 г/л), помещенную в реактор (5) и нагретую до 50°С нагревателем (7) при перемешивании мешалкой (6), добавляли порциями щелочные компоненты (КОН) в количестве, необходимом для нейтрализации естественной кислотности торфа и получения значения рН среды, равного 10, что контролировали промышленным рН-метром (8). Затем включали устройство для перетирания твердых включений (12), насос (13), источник тока (1) и приступали к электролизу суспензии торфа током с плотностью 200 А/м ². Одновременно на вход устройства для перетирания твердых включений (12) через штуцер (10) подавали раствор перекиси водорода дозируемым устройством (11). При достижении заданного уровня содержания растворимых гуминовых соединений в суспензии торфа, что контролировали периодическим изъятием проб и их анализом спектрофотометрическим методом или методом капиллярного электрофореза, суспензию разделяли на твердую и жидкую составляющие. Полученные данные занесены в таблицу. В качестве материала электродов могут использоваться графит, магнетит или другие аналогичные по свойствам материалы. В ходе электролиза рН суспензии поддерживали на заданном уровне периодическими добавками щелочного компонента.

Последующие примеры (опыты) 2 и 3 проводили аналогично примеру 1, а их результаты занесены ниже в таблице.

Таблица
Пример	рН суспензии	Плотность тока, А/м2	Концентрация перекиси водорода, %	Концентрация растворимых гуматов, г/л
1	9,0	200	0,01	1,2
			0,02	1,5
			0,03	1,7
		400	0,01	1,8
			0,02	2,2
			0,03	3,5
		600	0,01	5,1
			0,02	5,9
			0,03	7,5
2	10,0	200	0,01	3,2
			0,02	5,8
			0,03	8,5
		400	0,01	5,3
			0,02	8,5
			0,03	12,1
		600	0,01	5,5
			0,02	9,2
			0,03	14,7
3	12,0	200	0,01	6,0
			0,02	10,2
			0,03	13,1
		400	0,01	8,0
			0,02	12,5
			0,03	14,5
		600	0,01	12,3
			0,02	14,2
			0,03	16,0

Полученные результаты показывают, что заявляемый способ позволяет получить более полное извлечение биологически активных веществ (гуминовых кислот) из торфа, а полученный концентрат с содержанием растворимых гуматов в пределах 1,2-16,0 г/л является промышленным продуктом, который 1,5-2,0 раза дешевле, чем в известных способах.