Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВНОГО УГЛЯ ИЗ СОЛОМЫ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР

Изобретение относится к области сорбционной техники и может быть использовано для получения активных углей (АУ), применяемых для детоксикации почв, кормов и комбикормов в сельском хозяйстве, водоподготовки и очистки сточных вод, а также для очистки жидкостей и растворов от нежелательных примесей.

Известен способ получения АУ для детоксикации почв, загрязненных остатками пестицидов, включающий смешение измельченного каменноугольного сырья со связующим, гранулирование полученной пасты, подсушку гранул, их карбонизацию при 550-650°C со скоростью подъема температуры 10-19°C/мин, а затем при температуре 800-850°C со скоростью подъема температуры 4-8°C/мин и активацию карбонизованного продукта водяным паром при температуре 850-950°C при его расходе 7-10 кг на 1 кг карбонизованного продукта (см. пат. РФ №2167102, кл. C01B 31/08, опубл. 20.05.2001 г.).

Недостатками известного способа являются сложность осуществления процесса и высокие энергозатраты.

Наиболее близким в предлагаемому способу по технической сущности и количеству совпадающих признаков является способ получения АУ из соломы рапса, включающий карбонизацию соломы рапса в инертной атмосфере азота при температуре 450-500°C со скоростью подъема температуры 1-20°C/мин и активацию, причем солому предварительно измельчают на куски размером 1-10 см, осуществляют выдержку при конечной температуре в течение 30-60 мин, и активацию проводят водяным паром при температуре 820-850°C, подаваемым с расходом 3-5 кг на 1 кг карбонизованного продукта. Этот способ принят за прототип предлагаемого изобретения.

Недостатком прототипа является низкая эффективность при детоксикации почв, загрязненных гербицидом «Зингер, СП», содержащим в качестве действующего вещества метсульфорон-метил.

Техническим результатом (целью изобретения) является повышение эффективности детоксикации почв от остатков гербицида «Зингер, СП» (с действующим веществом метсульфорон-метилом) с помощью полученного активного угля.

Данный технический результат достигается предлагаемым способом, включающим измельчение исходной соломы на куски размером 1-10 см, их карбонизацию, активацию при 820-850°C водяным паром и охлаждение, причем карбонизацию осуществляют в среде водяного пара в две стадии: сначала при 450-500°C, а затем при 700-750°C с выдержкой после каждой стадии карбонизации в течение 70-90 мин.

Отличие предложенного способа от прототипа состоит в том, что карбонизацию осуществляют в среде водяного пара в две стадии: сначала при 450-500°C, а затем при 700-750°C с выдержкой после каждой стадии карбонизации в течение 70-90 мин.

Из научно-технической и патентной литературы авторам не известен способ получения АУ из соломы зерновых культур, в котором карбонизацию осуществляют в среде водяного пара в две стадии: сначала при 450-500°C, а затем при 700-750°C с выдержкой после каждой стадии карбонизации в течение 70-90 мин.

Способ осуществляют следующим образом. Берут солому зерновых культур и подвергают ее измельчению на куски длиной 1-10 см. Затем измельченное сырье загружают в ретортную или шахтную печь и карбонизуют в атмосфере водяного пара, подаваемого с расходом 0,5-1,0 кг на 1 кг исходной соломы, сначала до температуры 450-500°C при скорости нагрева 2-5°C/мин с выдержкой при конечной температур 70-90 мин, а затем до температуры 700-750°C при скорости нагрева 8-10°С в мин с выдержкой при конечной температуре 70-90 мин. Затем печь переводят в режим активации при температуре 820-850°C и подают в нее водяной пар с повышенным расходом (3-5 кг на 1 кг карбонизата). Активацию ведут до обгара 70-80%. По завершении процесса активации реторту охлаждают в атмосфере азота, выгружают из нее полученный АУ, проводят его измельчение до размера частиц меньше 100 мкм и определяют эффективность детоксикации им почвы от остатков гербицида «Зингер, СП», используя в качестве тест-культуры подсолнечник.

Для высева тест-культуры подсолнечника использовали горшки вместимостью 600 г почвы, которую загрязняли гербицидом «Зингер, СП» в дозе, соответствующей 5 г/га, и вводили дозу АУ в расчете 100 кг на 1 га. По истечении 30 суток оценивали среднюю массу тест-растения в горшке путем срезания ее по верхнему краю горшка и взвешивания на электронных весах. Эффективность детоксикации почвы устанавливали по отношению массы тест-растения в опытных горшках к массе тест-растения в контроле (почва загрязнена гербицидом без введения в почву АУ), выраженному в процентах.

Средний вес (трехкратная повторяемость) зеленой массы подсолнечника составил 3,6-3,9 г в горшках, где вводили в почву АУ, а в загрязненном контроле было 1,1 г, то есть выраженная в процентах эффективность детоксикации почвы составила:

.

Пример 1. Берут солому пшеницы и подвергают ее измельчению на куски длиной 1-10 см. Затем измельченное сырье загружают в ретортную печь и карбонизуют в атмосфере водяного пара, подаваемого с расходом 0,5-1,0 кг на 1 кг исходной соломы сначала до температуры 450°C при скорости нагрева 2-5°C/мин с выдержкой при конечной температуре 70 мин, а затем до температуры 700°C при скорости нагрева 8-10°C/мин с выдержкой при конечной температуре 70 мин. Затем печь приводят в режим активации при температуре 820-850°C при расходе водяного пара 3-5 кг на 1 кг карбонизата.

Активацию ведут до обгара 70-80%. По завершении процесса активации реторту охлаждают, выгружают из нее полученный АУ, проводят его измельчение до размера частиц меньше 100 мкм и определяют эффективность детоксикации им почвы, загрязненной гербицидом «Зингер, СП», используя в качестве тест-культуры подсолнечник.

Средний вес зеленой массы подсолнечника в случае АУ из соломы пшеницы был 3,8 г, то есть эффективность детоксикации почвы составила 345%.

Пример 2. Берут солому ржи и подвергают ее измельчению на куски длиной 1-10 см. Дальше проводят процесс как в примере 1 за исключением того, что карбонизацию ведут сначала до температуры 500°C с выдержкой при конечной температуре 90 мин, а затем ведут карбонизацию до температуры 750°C с выдержкой при конечной температуре 90 мин. Средний вес зеленой массы подсолнечника в случае АУ из соломы ржи был 3,6 г, то есть эффективность детоксикации почвы составила 327%.

Пример 3. Берут солому ячменя и подвергают ее измельчению на куски длиной 1-10 см. Дальнейшее проведение процесса как в примере 1 за исключением того, что карбонизацию ведут сначала до температуры 475°C с выдержкой при конечной температуре 80 мин, а затем ведут карбонизацию до температуры 725°C с выдержкой при конечной температуре 80 мин.

Средний вес зеленой массы подсолнечника в случае АУ из соломы ячменя был 3,9 г, то есть эффективность детоксикации почвы составила 355%.

Пример 4. Берут солому овса и подвергают ее измельчению на куски длиной 1-10 см. Дальнейшее проведение процесса как в примере 3.

Средний вес зеленой массы подсолнечника в случае АУ из соломы овса был 3,9 г, то есть эффективность детоксикации почвы составила 355%.

При оценке детоксикации почвы, загрязненной гербицидом «Зингер, СП» (на примере культуры подсолнечника) АУ, полученный известным способом из соломы рапса (пат. РФ №2527221), показал урожай зеленой массы 2,1 г, то есть эффективность детоксикации почвы им составила всего 190%, что в 1,72-1,87 раза ниже, чем у АУ, полученного по предлагаемому способу.

В результате многочисленных экспериментов было установлено влияние режимных параметров, прежде всего карбонизации, на достижение технического результата изобретения. Очевидно, в результате подобранных режимов карбонизации четко выраженное капиллярное строение соломы зерновых культур (пшеницы, ячменя, ржи, овса) сохранилось и в карбонизате, что особенно благоприятно для процесса внешней диффузии токсиканта к поверхности сорбирующих пор. Также была достигнута высокая величина поглощения за счет развития объема микро- и мезопор и хорошая кинетика процесса для быстрого извлечения конкретного почвенного токсиканта. С другой стороны, высокое содержание азота (N) в соломе зерновых культур позволило упростить и удешевить процесс карбонизации за счет использования водяного пара.

Таким образом, проведение двухступенчатой карбонизации обеспечивает наилучшие условия структурирования природных капиллярных образований соломы.

Если температура на первой стадии карбонизации ниже 450°C, не происходит полного удаления летучих веществ и развивается макропористая структура, а при температуре выше 500°C закладываются кристаллиты (исходные базисные элементы будущих микропор) с малым размером межплоскостных расстояний. С другой стороны, если на второй стадии карбонизации температура ниже 700°C, идет образование тонких микропор (0,5-0,6 нм), а они неэффективны при поглощении метсульфорон-метила, а при повышении температуры второй стадии выше 750°C наблюдается графитизация (уплотнение кристаллитов).

Проведение процесса карбонизации в среде водяного пара, во-первых, позволяет создать на поверхности АУ дополнительные функциональные группы, которые обеспечивают эффективную хемосорбцию остатков гербицида «Зингер, СП», а, во-вторых, удешевить способ получения АУ за счет исключения дорогостоящего азота.

Время выдержки после каждой стадии карбонизации обеспечивает закрепление кристаллитов в оптимальных для активации параметрах; при времени выдержки менее 70 мин кристаллиты имеют рыхлую структуру с большим количеством аморфного углерода, что и приводит к развитию незначительного объема микропор, а при времени выдержки более 90 мин начинают резко возрастать энергозатраты.

Следовательно, предлагаемый способ получения активного угля из соломы зерновых культур (пшеницы, ячменя, ржи, овса) позволяет в 1,7-1,9 раза увеличить эффективность детоксикации почв от остатков гербицида «Зингер, СП» (с действующим веществом метсульфорон-метилом).

Таким образом, из изложенного следует, что каждый из признаков заявленной совокупности в большей или меньшей степени влияет на достижение технического результата, а вся совокупность является достаточной для характеристики заявленного изобретения.