Технология получения гуминовых веществ с помощью акустической кавитации и ультразвука высокой интенсивности



Дата13.05.2019
өлшемі1.92 Mb.
#146874

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГУМИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ С ПОМОЩЬЮ АКУСТИЧЕСКОЙ КАВИТАЦИИ И УЛЬТРАЗВУКА ВЫСОКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ
В.С. Аникин, В.В. Аникин
Торф – золото России
В России интенсивно развиваются технологии по производству и использованию гуминовых препаратов. В основном технологии основаны на щелочной экстракции гуминовых веществ из почвы с последующей очисткой. Например, способ приготовления жидких кормов и установка для его осуществления: патент РФ 2316227, A23K1/00, A23N17/00 от 21.04.2006, в котором   приготовление гуминовых кислот и гуматов из торфа или бурого угля осуществляют путем кавитационного диспергирования торфа или бурого угля в водном растворе щелочей до полного выхода гуминовых кислот с последующим получением гуматов. Кавитационные диспергаторы так же успешно применяют в технологии производства гуминового препарата торфогеля, где не используется щелочная экстракция. Учитывая объемы запасов торфа и его доступность нет достойной альтернативы торфу для крупномасштабного улучшения агротехнических свойств почв.

Органические вещества торфа состоят из гуминовых и фульво кислот, битумов, целлюлозы, лигнина. Минеральная часть в основном состоит из кремния, кальция, железа, алюминия и микроэлементов. Как удобрение торф малоэффективен, так как основная масса азота находится в труднодоступной форме, в составе гуминовых веществ. Применяя щелочную экстракцию торфа, добиваются доступности ряда веществ питанию растения. Однако химический способ выделения гуминовых веществ не достаточно эффективен. Так, например, содержание суммы фульвовых и гуминовых кислот в препарате Эдагум СМ составляет 2,5%. Кроме этого разрушается природная структура гуминовых препаратов, полученных химической экстракцией. Поэтому актуальна задача разработки эффективных технологий переработки торфа, в которых органические вещества становятся водорастворимыми и содержат фульвовые и гуминовые кислоты.

Использование кавитации в технологиях получения гуминовых препаратов дает возможность достижения их высокой физиологической активности, большого выхода водорастворимых органических веществ, протекания реакций гидротермального синтеза. В кавитаторе синхронно идут процессы диспергации, экстракции, растворения, дезинтеграции клеточных структур, деструкция целлюлозы. Физиологическая активность гуминовых препаратов с неупорядоченными полимерными структурами гуминовых кислот и их солей, получаемых с использованием кавитации, увеличивается, поскольку чем мельче неупорядоченная полимерная структура таких веществ с условным понятием молекулярной массы, тем эффективнее усваивается мембранами клеточной структуры растений.

Для обработки водо-торфяного потока авторами разработано устройство итенсификации тепломассоэнергообмена, состоящее из одной и более камер, в которых обрабатываемый в потоках продукт диспергируется, эмульгируется и другое за счет волновой энергии большой интенсивности газоструйных генераторов. Устройство и способ зарегистрированы: патент РФ №2392046 от 25.01.2008 – “Устройство деструкции углеводородов”, патент РФ №2457896 от 29.11.2010 – “Способ акустической обработки многофазного продукта и устройство для его осуществления”.

Разработан способ акустического воздействия на поток многофазного продукта, в котором:

- создается интенсивность волновой энергии (более 10 Вт/см2) достаточная для достижения деструкции дисперсно-агрегатного состояния продукта и необходимого преобразования химических связей;

- используется акустическая кавитация в вихревом или струйном потоке, за счет энергии газоструйных генераторов;

- используется тепломассоэнергообменный процесс потока для проведения преобразований продукта.

Между жидкой фазой потока и газовой, особенно при вихревом движении, создается большая площадь соприкосновения, увеличивающаяся в процессе взаимодействия за счет диспергирования в возникающих сверхдавлениях волнового кластерного процесса кавитации [1, 2]. Твердая фаза продукта так же за счет сверхдавлений подвергается диспергированию и различным преобразованиям исходного вещества. При обработке вихревого водно-торфяного потока активированного выходным воздушным или паровым потоком газоструйного генератора с интенсивностью ультразвука более 10 Вт/см2,  получается ценное вещество с большим содержанием фульвовых и гуминовых кислот (более 65% в сухом веществе), а также другие органические и минеральные компоненты доступные для питания растений. Основной задачей разработки устройства обработки многофазного продукта является достижение максимальной интенсивности ультразвука в рабочих камерах, достаточной для деструкции обрабатываемого продукта.

Поставленная задача решается с помощью тепломассоэнергообменного процесса методом акустического резонансного возбуждения одного или нескольких потоков создаваемых в струйных камерах или вихревых трубах. Газовый ввод или ввод пара, составляющей смеси обрабатываемого продукта, выполнен в виде газоструйных генераторов. Предлагаемый способ ввода газовой составляющей за счет большой акустической мощности газоструйных генераторов приводит к интенсивной акустической кавитации жидкой составляющей продукта. В газовой, и жидкой фазах продукта возникают пульсирующие сверх давления, приводящие к диспергированию, эмульгированию и другим физико-химическим процессам. За счет большой площади соприкосновения акустической волны газового потока с жидкой и твердой компонентами обрабатываемого продукта, возможна передача энергии большой интенсивности, что не возможно при передаче энергии от твердой поверхности генераторов (пьезокерамика, магнитострикторы) в жидкий продукт. Основной проблемой передачи волновой энергии большой интенсивности (10 Вт/см2 и более) от излучающей поверхности в жидкость является эффект появления “кавитационного облака” на границе сред, препятствующего передачи энергии. Поэтому необходим способ передачи в жидкость и дисперсный твердый продукт энергии большой интенсивности, что осуществляется в предлагаемом способе с помощью газоструйных генераторов. При турбулентном движении в камерах потока продукта в жидкости возникают кавитационные процессы, которые усиливаются акустической кавитацией за счет энергии газоструйных генераторов. Акустическая мощность газоструйного генератора Гартмана , где - диаметр сопла в сантиметрах, Р – давление газа в килограммах силы на сантиметр в квадрате [3, стр.172] при рабочем давлении P=3 атм из формальных преобразований



[Вт/см2].

Соотношение выведено из условия облучения площадки равной площади сопла. В рабочих цилиндрах интенсивность ультразвука из-за эффекта рассеивания будет ниже этой величины. Геометрией рабочих камер и осевых вытеснителей можно создавать зоны различной интенсивности. Таким образом интенсивность ультразвука на выходе газоструйного генератора намного больше достигаемой интенсивности в гидродинамических кавитаторах, в которых, в среднем, I=2 Вт/см2. Поэтому эффективность обработки многофазного продукта при таком способе, намного выше. На рис.1 приведена частотная характеристика устройства с вводом газообразного продукта, выполненного в виде газоструйного генератора акустических колебаний с частотой



Рис.1 Частотная характеристика реактора с газоструйным генератором


19,5 кГц. В диапазоне 42-50 кГц видна часть частотной характеристики основного гидродинамического процесса кавитации. Видно, что мощность (квадрат амплитуды) газоструйного процесса на порядок превышает гидродинамический процесс. При такой интенсивности возникают большие локальные давления порядка тысяч атмосфер (сверхдавления), что приводит к деструкции обрабатываемого вещества, в жидкости при захлопывании пузырьков газа образуются сферические ударные волны [1, 2]. Установлено, что усиление сверхсжатия происходит при увеличении интенсивности акустической волны, при использовании пара, когда минимизируется торможение жидкости, достигается большая кинетическая энергия жидкости, а также в кластерном пузырьковом процессе. Сверхсжатие усиливается в жидкости с тяжелыми молекулами (органика) и при низких температурах.

На рис. 2 приведен вид одного из разработанных реакторов с газоструйными генераторами с несколькими вихревыми камерами с производительностью по жидкому продукту до 15 м3/час, по газу (пару) 12 м3/мин. Верхний патрубок – ввод жидкого продукта, боковой патрубок – ввод газа или пара.


Рис.2. Ультразвуковой гидродинамический

газоструйный реактор


Сложной задачей, которая решается при проектировании многокамерных реакторов является синхронизация нескольких волновых процессов в рабочих камерах.

Большую производительность можно получить только в многокамерных реакторах. С помощью описанных процессов и реакторов с интенсивностью ультразвука в рабочих камерах 50 вт/см2 при обработке срединного торфа получено вещество ультрадисперсная эмульсия торфа (УДЭТ) – ультрагумат. Растворимого органического вещества в ультрагумате 87%, математическое ожидание распределения дисперсности 1 мкм. Схема установки получения ультрагумата приведена на рис. 3, где торф подается в открытую камеру расположенной в емкости, из которой водо-торфяная смесь подается насосом в реактор. Ультразвук в реакторе генерируется газоструйными генераторами, работающими от воздуха, который подается компрессором. Выход реактора направляется в приемную трубу, где происходит разделение жидкого продукта и воздуха. В начале, емкость частично заполняется водой.

Рис. 3. Схема установки получения

ультрагумата


Затем, в процессе работы, происходит сгущение ультрагумата до требуемой консистенции. Большая производительность промышленной установки строится по проточной схеме с непрерывными процессами смешения и обработки водо-торфяного потока в реакторе.

Ниже представлена таблица количественных химических исследований, полученная в испытательном центре почвенно-экологических исследований МСХА имени К.А. Тимирязева (протокол испытаний № 108/10 от 27.12.2010).




Определяемые

показатели



Ед.

изм.


Резуль-

таты


исследо-

ваний


Характери

стика


погрешнос

ти


Соответ-

ствие


требова-

ниям


НТД

Метод испытаний

1

2

3

4

6

7

рН

ед. рН

5,4

± 0,2

соответст.

ГОСТ 26423-85

Зольность (в расчёте на абсолютно сухое вещество)

%

28,4

± 2,8

соответст.

ГОСТ 27784-88

Зольность

%

9,69

± 0,96

соответст.

ГОСТ 27784-88

Фульвокислоты (в расчёте на абсолютно сухое вещество)

%

48,78

± 4,88

соответст.

По Кононовой-Бельчиковой

Гуминовые кислоты (в расчёте на абсолютно сухое вещество)

%

16,34

± 1,63

соответст.

По Кононовой-Бельчиковой

Фульвокислоты

%

16,65

± 1,67

соответст.

По Кононовой-Бельчиковой

Гуминовые кислоты

%

5,58

± 0,83

соответст.

По Кононовой-Бельчиковой

Фосфор общий (в расчёте на абсолютно сухое вещество)

%

2,69

± 0,27

соответст.

ГОСТ 26717-85

Калий общий (в расчёте на абсолютно сухое вещество)

%

2,08

± 0,21

соответст.

ГОСТ 26717-85

Фосфор общий

%

0,92

± 0,09

соответст.

ГОСТ 26717-85

Калий общий

%

0,71

± 0,07

соответст.

ГОСТ 26717-85

Органическое вещество (в расчёте на абсолютно сухое вещество)

%

71,6

± 0,8

соответст.

ГОСТ 27784-88

Органическое вещество

%

24,44

± 0,8

соответст.

ГОСТ 27784-88

На рис. 4 представлен исходный не низинный торф, из которого получена эмульсия с представленными в таблице характеристиками. Из таблицы видно, что в пересчете на сухое органическое вещество сумма фульвовых и гуминовых кислот в ультрагумате составляет (48,78+16,65)/0,716=91,4%. При отделении неорганической части УДЭТ, что легко осуществить механическим путем, содержание гуматов увеличится. На рис.5 представлен вид полученного ультрагумата без какой либо очистки, с выхода реактора по схеме установки рис. 3, которое непосредственно может быть использовано как регулятор роста и удобрение а так же как кормовая добавка для птицы.

Рис. 4. Исходный торф Рис. 5. Не очищенный ультрагумат
Не растворимая часть УДЭТ представлена на рис. 6 и состоит, в основном, из диоксида кремния – песка. Ультрагумат при электролизе осаждается на электроде рис. 8, после просушивания представляет собой растворимое в воде твердое вещество (“Ультрагумат Э”) с содержанием гуматов более 90%. Этот ультрагумат может применяться в качестве регуляторов роста и удобрения при обработке семян, корневой и внекорневой подкормке растений, в системах капельного орошения а так же как кормовая биодобавка в животноводстве. Подсушенный “Ультрагумат Э” а так же исходное вещество могут быть в виде гранул или порошка. Гранулированный ультрагумат целесообразно использовать при корневой подкормке, поскольку большое содержание фульвовых кислот в ультрагумате способствует их быстрому вымыванию.

Рис. 6. Не растворимая часть УДЭТ Рис.7. Сухой ультрагумат после

электролиза УДЭТ

Ультрагумат имеет высокую биологическую активность и может применяться не только в растениеводстве и животноводстве, но и в медицине. Оптимистичные прогнозы применения торфа, например в обстоятельной статье [4], во много раз больше в связи с ультразвуковой технологией обработки торфа при интенсивности более 10 вт/см2. Недоступный для усвоения растениями

Рис.8. Осажденный на электроде ультрагумат
торф становится в виде ультрагумата не только усваиваемым растениями веществом, но и

эффективным удобрением и регулятором роста. Комбинированное органо-минеральное удобрение наиболее эффективно в растениеводстве и его применение способствует восстановлению гумусового слоя почвы.

Представленная технология может принципиально изменить роль торфа. Во первых, получение гуматов с высоким содержанием фульвовых и гуминовых кислот упрощается и становится возможным без применения химикатов. При этом органическая составляющая торфа в результате физико-химических реакций становится в большей части водорастворимой. Во вторых, производительность установок получения ультрагумата может быть достигнута практически как угодно большой, и не требует возведения заводов. Производство ультрагумата может быть организовано в рамках любого сельскохозяйственного предприятия и, даже, в личном хозяйстве. Для этого достаточно организовать производство ультразвуковых газоструйных реакторов различной производительности. Дополнительно требуются стандартные насосы и компрессоры.

Ультрагуматы в настоящее время производятся и исследуются в ООО “НПО Техмаш” г. Москва. Оганизуются исследования и натурные испытания ультрагумата на различных культурах.

Технология производства ультрагуматов в ультразвуковых реакторах с газоструйными генераторами принципиально изменяет ценность торфа и дает возможность существенно повысить эффективность применения торфа в сельском хозяйстве и медицине.
Литература


  1. Taleyarkhan, R., Block, R., Lahey (Jr.) R., R. I. Nigmatulin, and Y. Xu, Nuclear Emissions During Self-Nucleated Cavitation, Physics Review Letters, 96, 034301, 2006.

  2. Р.Нигматулин. Кавитационный кластер паровых микропузырьков как нано-термоядерная бомба. Доклад на конференции по механике сплошной среды, посвященная 100-летию академика Л.И. Седова 12-13 ноября 2007 г.

  3. Ультразвук: Маленькая энциклопедия.- М.: Сов. Энциклопедия, 1979 – 400 с.

  4. Мисников О. Ресурсы “Кладовой Солнца”. Наука и жизнь. 2004 . №5. C. 56-62

e-mail: anikin3@mail.ru



http://usonic.info




Каталог: sites -> default -> files
files -> «келісемін» Қазақстан Республикасының Қорғаныс және аэроғарыш өнеркәсібі Министрі
files -> 016 жылдың тоқсанында Солтүстік Қазақстан облысы Әділет департаментімен тіркелген жергілікті өкілді және атқарушы органдарының нормативтік құқықтық актілерінің тізбесі
files -> 016 жылдың және 31 қаңтар аралығында бсұ Санитарлық және фитосанитарлық шаралар бойынша Комитетпен жарияланған, хабарлама тізімі
files -> Ќазаќстан Республикасыныѕ мемлекеттік ќўпияларын ќорєаудыѕ
files -> Заң жобаның ғылыми құқықтық сараптаманың
files -> Беткі сулардың сапасын талдау: НҰра өзені алабының мысалында
files -> Қазақстан Республикасы Әділет министрлігімен 2012 жылдың қаңтарда тіркелген
files -> Этносаралық Үйлесімділік жүйесіндегі саяси-мәдени механизмдердің орны әлеуметтік ғылым магистрі, аға оқытушы Сыздықова С. М


Достарыңызбен бөлісу:




©kzref.org 2022
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет