Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,916

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ОКСИГУМИНОВЫХ ПРЕПАРАТОВ НА ОСНОВЕ ТОРФА

М.В. Ефанов П.П. Черненко А.И. Галочкин А.А. Миронов
Комплексное использование торфа - это одна из актуальных задач современной торфяной промышленности. Наиболее оптимальным в этом направлении является путь глубокой химической переработки всей биомассы торфа с целью получения непосредственно из него (без разделения на отдельные компоненты) различных полимерных материалов [1]. Значительный интерес в прикладном плане представляют оксигуминовые вещества, которые рекомендованы для применения в качестве гуминовых стимуляторов роста, удобрений и поверхностно - активных веществ. Основной метод их получения - окисление торфа в водно-щелочной среде, заключающийся в обработке торфа пероксидом водорода в водном растворе NaOH при 100 - 150 оС в автоклавах под давлением [2]. Эти способы имеют существенные технологические недостатки: сложность и длительность процесса, низкий выход продуктов при довольно значительных расходах окислителя и щелочи.

В работах Наумовой Г.В. с сотр. [2-4] предложено получать оксигуматы из торфа путем его окисления пероксидом водорода в щелочной среде в сравнительно жестких условиях при 125 0С в автоклаве в течение 4 часов в присутствии солей кобальта и меди в качестве катализаторов. Такие способы позволяют получать гуминовые удобрения с выходом 75 - 93 % от органической массы торфа, содержащие связанные кобальт и медь в качестве микроэлементов.

Одним из перспективных методов активации торфа для его химического модифицирования является кавитационная обработка в водной среде в кавитационных аппаратах [5]. Торф, подвергнутый кавитационной обработке в различных средах, изменяет свой химический состав, что приводит к его активации. Однако работ по систематическому изучению окисления торфа в различных средах в условиях кавитационной обработки в литературе не обнаружено. Поэтому целью настоящей работы является исследование процесса окисления торфа пероксидом водорода в водно-щелочной среде в условиях кавитационной обработки для разработки эффективного способа получения оксигуматов натрия.

В качестве исходного сырья использован низинный торф Одинцовского месторождения Алтайского края со степенью разложения около 25 %, полученный в ООО НПО «Теллура-Бис» (г. Бийск). Определен химический состав исходного торфа. Данные представлены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты анализа исходного низинного торфа*

Показатель (в расчете на абс. сух. в-во)

Содержание, %

Зольность

22.1

Битумы

3.7

Азот общий

2.1

Органическое вещество (по общему углероду)

72.1

Общее количество гуминовых веществ,

из них:

48.0

Гуминовых кислот

24.6

Фульвокислот

23.4

* Влажность исходного торфа - 49.3 %; степень разложения - 25 %.

Влажность и зольность торфа определяли высушиванием и последующим озолением в муфеле согласно ГОСТ 11305-83 и 11306-83. Содержание общего азота определяли методом отгонки по Кьельдалю согласно [6]. Содержание общего углерода (органического вещества) определяли методом Тюрина окислением бихроматом калия в серной кислоте фотоколориметрически [6]. Содержание углерода гуминовых веществ определяли фотоколориметрически по методу Тюрина после экстракции гуминовых веществ из торфа щелочным раствором пирофосфата натрия по ГОСТ 9517-94. Содержание фульвокислот определяли по разности между общим содержанием гуминовых веществ и содержанием гуминовых кислот.

Процесс получения оксигуматов из торфа проводили следующим образом. Навеску исходного торфа влажностью 50 % массой 2.0 кг после 15 мин щелочной кавитационной обработки 2.0 - 10 % - ным водным раствором NaOH, обрабатывали в роторном кавитационном аппарате с частотой вращения ротора 3000 об/мин пероксидом водорода (в расчете 0.025 - 0.2 кг H2O2/кг абсолютно сухого торфа) в водной суспензии при температуре 60 0С в течение 15 - 60 минут. Изучено влияние продолжительности кавитационной обработки при 60 0С на выход водорастворимых органических веществ из торфа. Результаты исследования приведены в таблице 2.

Таблица 2. Влияние продолжительности кавитационной обработки на выход водорастворимых органических веществ при окислении торфа пероксидом водорода в водном растворе NaOH*

Образец

Продолжительность окисления в условиях кавитационной обработки, мин

Содержание общего углерода (гуминовых и фульвокислот), г/л

Содержание углерода гуминовых кислот, г/л

Содержание углерода фульвокислот, г/л

Исходный торф

-

80.5

41.2

39.3

1

15

22.3

12.2

10.1

2

30

26.4

15.2

11.2

3

45

32.5

19.3

13.2

4

60

39.3

22.2

17.1

* Время предварительной щелочной кавитационной обработки - 15 мин, количество H2O2 - 5 % от массы абсолютно сухого торфа, концентрация раствора NaOH - 2 %.

Как показывают результаты проведенных экспериментов, при увеличении продолжительности кавитационной обработки торфа при 60 0С в присутствии пероксида водорода в водно-щелочной среде, происходит закономерное увеличение концентрации водорастворимых органических веществ в полученных экстрактах от 22 до 39 г/л. За 60 мин окисления торфа в условиях кавитационной обработки выход водорастворимых органических веществ составляет 39 г/л.

В таблице 3 приведены данные по влиянию концентрации NaOH на содержание азота в твердом остатке, и содержание углерода гуминовых и фульвокислот в полученных жидких гуминовых удобрениях. Показано, что с увеличением концентрации NaOH от 2 до 10 масс. % происходит закономерное уменьшение содержания азота в сухом остатке от 1.9 до 0.9 %, что обусловлено усилением щелочного гидролиза органического вещества торфа    (табл. 3).

Установлено, что увеличение концентрации NaOH приводит к увеличению общего количества водорастворимых веществ и углерода гуминовых и фульвокислот в жидкой фазе полученных удобрений (табл. 3). Причем, при концентрации щелочи в 10 масс. % наблюдается наибольший выход фульвокислот, вероятно, за счет более глубокого окисления гуминовых веществ торфа.

Таблица 3. Влияние концентрации NaOH на содержание азота в твердом остатке и содержание гуминовых и фульвокислот в жидкой фазе при окислении торфа пероксидом водорода*

Образец

Концентрация раствора щелочи, %

Содержание азота в твердом остатке, %

Содержание общего углерода (гуминовых и фульвокислот), г/л

Содержание углерода гуминовых кислот, г/л

Содержание углерода фульвокислот, г/л

Исходный торф

-

2.1

80.5

41.2

39.3

2

2

1.9

26.4

15.2

11.2

5

4

1.8

39.2

23.1

16.1

6

6

1.7

75.3

56.2

19.1

7

8

1.0

97.4

86.2

11.2

8

10

0.9

105.2

41.1

64.1

9

2**

1.8

28.5

16.3

12.2

* Время предварительной щелочной кавитационной обработки - 15 мин, количество H2O2 - 5 % от массы абсолютно сухого торфа, продолжительность окисления в условиях кавитационной обработки - 30 мин.

** - в качестве щелочи использован КОН.

С целью изучения химического состава полученных продуктов деструкции из жидкой фазы, полученной после окисления торфа (образец № 7, табл. 3), были выделены оксигуминовые кислоты (ОГК) путем ее подкисления раствором H2SO4. Для осуществления этого 0.05 л центрифугированной жидкой фазы подкисляли при 25 0С 1 н водным раствором H2SO4 до рН=1. Полученный осадок оксигуминовых кислот нагревали в колбе на водяной бане при 70 - 80 0С в течение 10 мин до образования и коагуляции хлопьев. Осадок гуминовых веществ центрифугировали на центрифуге и промывали трижды в пробирках 1 н водным раствором H2SO4 для удаления фульвокислот, а затем дистиллированной водой для удаления остатков серной кислоты (контроль по BaCl2). Аналогично были выделены гуминовые кислоты из исходного торфа (ГК). Полученный осадок оксигуминовых кислот высушивали в эксикаторе при 25 0С и определяли его зольность в муфеле при 600 0С. Зольность составляет 5 и 7 % (ОГК и ГК соответственно). Содержание азота определяли методом Кьельдаля, а содержание углерода и водорода определяли методом сожжения в токе кислорода [6]. Содержание общих кислых и карбоксильных групп определяли соответственно хемосорбционным барий - хлоридным и кальций - ацетатным методами по [7]. Данные приведены в           таблице 4.

Установлено, что оксигуминовые кислоты содержат большее количество углерода и меньшее количество водорода и азота, чем гуминовые кислоты из исходного торфа. Показано, что оксигуминовые кислоты по сравнению с исходными гуминовыми кислотами содержат большее количество СООН - групп и меньшее количество фенольных ОН - групп. Это говорит об окислении фенольных ОН - групп до СООН - групп.

В ИК - спектре оксигуминовой кислоты, выделенной из жидкой фазы продукта 7 появляется полоса в области 1710 см-1, характерная для поглощения СООН - групп, что подтверждает данные химического анализа.

Таким образом, предлагаемый способ за счет кавитационной обработки обеспечивает интенсификацию технологического процесса, получение наиболее высокого выхода водорастворимых органических веществ в целевом продукте (жидкой фазе) более простым и менее энергоемким способом по сравнению с аналогами.

Таблица 4. Элементный и функциональный состав оксигуминовых кислот, полученных из торфа в условиях кавитационной обработки*

Образец

Элементный состав, %

Содержание функциональных групп, %

C

H

N

O

(по разности)

-COOH

-OHфен.

сумма

Гуминовые кислоты исходного торфа

56.2

6.3

2.5

35.0

2.2

3.1

5.3

Гуминовые кислоты, выделенные из жидкой фазы продукта окисления торфа

62.5

5.7

1.3

30.5

4.3

1.9

6.2

* Образец № 7 оксигумата натрия.

Литература:

  1. Горовая А.И., Орлов Д.С., Щербенко О.В. Гуминовые вещества. - Киев: Наукова думка, 1995. - 304с.
  2. Наумова Г.В. Торф в биотехнологии. - Минск: Наука и техника, 1987. - 158с.
  3. Наумова Г.В., Косоногова Л.В., Кособокова Н.В. и др. Способ получения средства защиты растений от болезней. // А.с. СССР № 1624726. Опубликовано Б.И. 1991. № 22.
  4. Наумова Г.В., Косоногова Л.В., Жмакова Н.А., Овчинникова Т.Ф. // ХТТ. 1995. № 2. С. 82.
  5. Петраков А.Д., Радченко С.М., Яковлев О.П. и др. Способ получения органоминеральных удобрений и технологическая линия для его осуществления. // Патент РФ № 2296731. Опубликован Б.И. 2007. № 10.
  6. Орлов Д.С., Гришина Л.А. Практикум по биохимии гумуса. - Москва: МГУ, 1969. -288с.
  7. Методические указания по анализу торфа. - Л.: ВНИИТП, 1973. - 87с.

Библиографическая ссылка

М.В. Ефанов, П.П. Черненко, А.И. Галочкин, А.А. Миронов ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ОКСИГУМИНОВЫХ ПРЕПАРАТОВ НА ОСНОВЕ ТОРФА // Современные наукоемкие технологии. – 2008. – № 5. – С. 65-69;
URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=23869 (дата обращения: 29.05.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074