Способ получения гуминовых веществ для восстановления техногенно загрязненных земель, грунтов, вод

 

Изобретение относится к области охраны окружающей среды с использованием препаратов для восстановления техногенно загрязненных почв, грунтов, вод. Способ включает дробление органического сырья для достижения однородного состояния и подачу его в смеситель вместе с водой. Перед дроблением органического сырья осуществляют отсев из него посторонних примесей, камней, включений, а в качестве смесителя используют роторный аппарат гидроударного действия. Весовое соотношение органического сырья и воды составляет 1:5. Изобретение обеспечивает повышение экономичности способа получения гуминовых веществ.

Предлагаемое изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности к получению препаратов, используемых на загрязненных нефтью, нефтепродуктами, тяжелыми металлами, радионуклидами, химическими и другими загрязнителями почвах, грунтах, воды.

Основной процесс извлечения гуминовых веществ из органических соединений - обработка щелочным реагентом. При этом механизм перехода гуминовых веществ в жидкую фазу представляется следующим образом. В исходном сырье гуминовые вещества находятся в коллоидно-дисперсном состоянии, в виде рыхлых надмолекулярных структур - ассоциатов. Растворение гуминовых веществ происходит при ионизации карбоксильных и гидроксильных групп гуминовых веществ в щелочной среде. При этом молекулы гуминовых веществ приобретают отрицательный заряд, и происходит разрушение ассоциатов из-за появления заряда на молекулах и их взаимного отталкивания.

Существующие способы позволяют практически полностью выделять содержащиеся в углях, торфах, сапропелях гуминовые вещества. Условием их количественного выделения является предварительная обработка перечисленных материалов кислотой и последующая многократная обработка щелочью. Кислотная обработка необходима для удаления обменных катионов (Са²⁺ , Mg²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Al ³⁺, K⁺, Na⁴⁺), которые препятствуют полному выделению гуминовых веществ.

Известен способ получения гуминовых веществ (мелиоранта) путем окисления измельченного бурого угля концентрированной азотной кислотой с последующей аммонификацией реакционной массы (Патент РФ 2039077, кл. С 09 F 11/02, 1995).

Известен другой способ получения гуминовых кислот, обеспечивающий более полное превращение углеродосодержащих компонентов сырья в гуминовые кислоты, что позволяет избежать потери, как исходного продукта, так и азотной кислоты, благодаря разработке условий мягкого селективного окисления (Патент РФ 2176631 кл. С 05 F 11/02). В качестве исходного сырья можно использовать каменный уголь, торф, горючие сланцы.

Известно использование в качестве смесителя роторного аппарата гидроударного действия (патент РФ №2146084, А 01 G 1/04, 10.03.2000; №2050959, В 01 F 7/00; №2179066, В 01 F 7/00 и т.д.). Данные устройства предназначены для растворения, эмульгирования и диспергирования различных материалов. Все указанные аппараты имеют практически единую схему и конструктивно незначительно отличаются друг от друга. Все они обеспечивают удовлетворительные технические показатели.

В качестве прототипа выбрано изобретение №2031095, кл. С 05 F 11/02, А 01 В 79/00, А 01 N 65/0, С 07 С 63/33 1995) “Водорастворимые гуминовые кислоты, способ их получения и способ детоксикации земель и рекультивации почв сельскохозяйственного назначения, осуществляемый с помощью этих водорастворимых гуминовых кислот”. Способ получения водорастворимых гуминовых кислот: исходные гуматы и/или не способные растворяться в воде гуминовые кислоты, полученные из различных твердых горючих ископаемых (торфа, окисленного каменного угля, бурого угля) с помощью щелочной экстракции подвергают при температуре не выше 100°С гидратации и осуществляют удаление катионов и избыточных ионов водорода. При этом необходимо соблюдать значение рН в интервале 2<рН 6 и соответствие значений рН получаемого целевого продукта и концентрации в нем гуминовых кислот условию G=25 (рН-2). При использовании в качестве исходных продуктов гуматов, последние подвергают последовательно гидратации путем растворения их в воде, а затем из полученного раствора удаляют катионы, заменяя их на ионы водорода. Для получения особо чистых водорастворимых гуминовых кислот удаление катионов осуществляют, подвергая растворы гуматов ионному обмену в присутствии катионообменной смолы.

Основной недостаток предложенного изобретения состоит в сложности получения водорастворимых гуминовых веществ, что соответственно сказывается на стоимости полученного продукта. Процесс связывания токсических веществ гуминовыми соединениями не простой и требует проведения неоднократных обработок за один вегетационный сезон, в зависимости от уровня токсичности загрязнителя - возможна одна-десятикратная обработка загрязненной поверхности гуминовым препаратом. В районах добычи и транспортировки нефти и нефтепродуктов, а также в техногенно- и -радиационно загрязненных регионах, как правило, восстанавливать необходимо участки значительных размеров в десятки - сотни гектаров, что в конечном счете существенно увеличит затраты на проведение восстановительных работ. Кроме того, для очищения загрязненных почв тяжелыми металлами, радионуклидами, нефтью, нефтепродуктами, химически опасными веществами нет большого смысла получать особо чистые гуминовые вещества, так как токсическое действие загрязнителей на почву намного выше, нежели присутствие солей в гуминовом препарате.

Задачей предполагаемого изобретения является разработка наиболее экономичного способа получения гуминовых веществ для восстановления техногенно загрязненных земель, грунтов, вод.

Предлагаемый способ получения гуминовых веществ для восстановления техногенно загрязненных земель включает дробление органического сырья для достижения однородного состояния и подачу в смеситель вместе с водой в соотношении 1:5. Перед дроблением органического сырья осуществляется отсев из него посторонних примесей, камней, включений. В качестве смесителя используется аппарат гидроударного действия. Через входной патрубок корпуса роторного аппарата гидроударного действия вода с органическим сырьем (RV 2080167 С 16 В 01 F 7/100) подается с помощью разгонных лопаток в каналы сопла и каналы - конфузоры, настроенных на различную частоту колебаний частиц (составляющих) обрабатываемой гидродинамической среды. По мере продвижения обрабатываемой среды по каналам - соплам поток среды разгоняется и на выходе из ротора имеет звуковую скорость, а по мере продвижения среды по каналам - конфузорам разогнанный лопатками поток в их широкой части первоначально теряет скорость. Устройство стенок позволяет усилить турбулентность потока. За счет образующихся на этом участке завихрений происходит более тщательное перемешивание частиц воды с органическим материалом (торф, уголь, сапропель и др.), а также проникновение их друг в друга. Во время перекрывания выходных отверстий перемычками статора создается преграда. Происходит резкое повышение давления - прямой гидроудар.

Периодически повторяемые гидроудары создают высокоградиентные импульсы давления. В каналах-конфузорах наряду с вбиванием жидкости в органическое вещество также как и в каналах-соплах, за счет периодически действующих гидроударов, происходит дополнительное механическое перемешивание за счет повышения турбулентности. Полученное давление в обоих каналах через несжимаемую среду - воду передается на органический материал, дробя его на мельчайшие частицы, которые за счет увеличения турбулентности потока и гидроударов перемешиваются с водой до гомогенного состава.

Предлагаемый нами роторный аппарат гидроударного действия за счет более совершенной конструкции дозвуковых сопел, обеспечивающих суммирование гидроударного, турбулентного и кавитационного воздействий (патент РФ №2080167, В 01 F 7/00) в отличие от вышеперечисленных аппаратов гидроударного действия, обеспечивает повышенную экстракцию гуминовых соединений из органических материалов. А при производстве гуминовых веществ - это одна из основных проблем. Кроме того, усиленное механическое воздействие при суммировании гидроударного, турбулентного и кавитационного, существенно уменьшает зольность получаемого продукта и, как следствие, повышает выход гуминовых веществ. Результаты наших исследований показали, что гуминовые соединения, извлеченные с помощью данного аппарата, обладают более высокой физико-химической и биологической активностью, что позволяет снизить нормы расхода для обработки загрязненных территорий.

По нашему мнению, использование роторного аппарата гидроударного действия (патент РФ №2080167, В 01 F 7/00) для производства гуминовых веществ, обеспечивает получение неожиданного результата: во-первых, повышается выход продукции и, особенно важно, ее качество. Получение гуминовых соединений на аналогичных аппаратах не обеспечивает соответствующего качества и количества.

Полученный таким способом продукт содержит в основе водорастворимые гуматы и минеральные элементы, содержащиеся в исходном органическом веществе. Данные гуматы эффективно связывают углеводороды нефти, радиоактивный стронций, цезий, тяжелые металлы, химические и другие загрязняющие вещества, а минеральные и микроэлементы, присутствующие в препарате являются источником питания для аборигенных деструкторов того или иного вида загрязнения.

Использование гумусовых веществ, полученных на роторном аппарате гидроударного действия, позволяет связать токсичные соединения в почве в результате техногенного загрязнения, которые оказывают крайне отрицательное влияние на весь биоценоз загрязненного участка. Нивелируя токсичность загрязнителя посредством использования водорастворимых гуматов, в почве создаются благоприятные условия для работы микроорганизмов. Их активное развитие является гарантом восстановления нарушенных экосистем.

Пример осуществления №1.

В качестве исходного сырья брали бурый уголь, по вышеописанной схеме готовили гуминовый препарат, которым обрабатывали почву, загрязненную нефтью и нефтепродуктами. Результаты эффективности гуминового препарата представлены в таблице 1.

В течение мая месяца было проведено 2 обработки: в контрольном варианте водой, в экспериментальном варианте гуминовым препаратом, произведенном на роторном аппарате гидроударного действия. Эффективность биоочистки нефтезагрязненной почвы под влиянием гуминовых веществ составила 50%. Целесообразно проведение последующих обработок.

Пример осуществления №2. В лабораторных опытах изучали действие гуминовых веществ на активность меди. Предварительно подготовленную почву (по методике закладки вегетационных опытов) насыщали медью до уровней 6, 12, 18, 24, 30 мг/кг (таблица 2). После проведения первой обработки гуминовым препаратом доступность этого элемента снизилась в 1,8-4,9 раз. Токсическое действие, вызванное высоким содержанием меди в почве, было снято. Проведение второй и третей обработок было менее результативно, тем не менее, при уровне загрязнения 6 мг/кг почву удалось очистить до показателя допустимой концентрации - 3 мг/кг. При более высоких уровнях загрязнения - 12, 18, 24, 30 мг/кг использование гуминовых веществ позволило снизить содержание меди в 1,8-5,0 раз.

Таким образом, применение гуминового препарата, полученного в роторном аппарате гидроударного действия, эффективно связывает токсические вещества, присутствующие в почве в результате техногенного загрязнения.

Формула изобретения

Способ получения гуминовых веществ для восстановления техногенно загрязненных земель, грунтов, вод, включающий дробление органического сырья для достижения однородного состояния и подачу его в смеситель вместе с водой, отличающийся тем, что перед дроблением органического сырья осуществляют отсев из него посторонних примесей, камней, включений, а в качестве смесителя используют роторный аппарат гидроударного действия, причем весовое соотношение органического сырья и воды составляет 1:5.