Результат интеллектуальной деятельности: Гранулированный сорбент для гигиены и экологии мест обитания

Изобретение относится к абсорбирующей смеси из целлюлозосодержащего компонента и природного компонента вермикулита и может быть использовано в качестве сорбента жидких и газообразных загрязнений в местах обитания человека и в местах содержания домашних животных, в частности, как сорбент для сбора и удаления жидких и газообразных отходов производства (вода, мочевина, бензин, нефть, масла, смазка, растворители, аммиак и другие), в качестве гигиенического сорбента для сбора и утилизации выделений продуктов жизнедеятельности человека и домашних животных (наполнители туалетов, подстилки для животных, другие).

Известна подстилка для лабораторных животных (патент РФ №1774846), которая включает плоские древесные плоские частицы, каждая из которых уплотнена до плотности 0,6-0,8 г/см³ при 10-12% влажности и имеет размеры по длине и ширине 3-10 мм и толщину 0,2-2 мм. Способ изготовления трудозатратный и требует специального оборудования.

Известен наполнитель туалета для кошек (патент РФ 2128432), содержащий сорбционный компонент в виде сухих древесных опилок с частицами размером 1,8-4,2 мм в количестве 85-95% и инсектицидное средство на основе циперметрина. Известные сорбенты не достаточно хорошо впитывают мочевину, не устраняют запахи, трудно собираются.

Известен гигиенический наполнитель на основе природных минеральных сорбентов, обладающий общей пористостью 50-90%, сорбционной емкостью 25,0-250 мг-экв/100 г, водопоглощением 50-200%, типа опок или трепелов, в отдельности или в смеси с другими природными минеральными сорбентами, термически обработанными при температуре 90-1200°С, измельченными до фракции 1-7 мм и герметически упакованными. В качестве природных минеральных сорбентов используют цеолиты, диатомиты, палыгорскиты, бентониты, перлиты, глаукониты, вермикулиты или их смеси. С целью экономии наполнителей и упрощения процесса удаления в них или их смеси вводят 1-2% гипса, что может быть источником пыления в помещении.

Известно, что на дачных участках в туалетах для присыпки используют опилки, сухую землю или золу. В настоящее время выпускаются промышленностью конструкции биотуалетов (http://aqua-rmnt.com/kanalizaciya/postrojki/biotualet-dlya-dachi-svoimi-rukami.html), которые имеют две объединенные емкости. Одна - накопительная для отходов, другая - для засыпки и хранения наполнителя, при этом в качестве наполнителя используют торф. Известные абсорбенты обладают тем недостатком, что они, как правило, имеют низкую абсорбционную способность и могут абсорбировать жидкость в количестве, равном их собственному весу.

Наиболее близким аналогом по функциональному назначению является абсорбирующий материал, описанный в патенте РФ №2198729. Известный абсорбирующий материал может быть применен как сорбент для гигиены и экологии, в частности для сбора и утилизации промышленных жидких отходов и/или как подстилка или наполнитель для животных. Адсорбирующий материал содержит целлюлозосодержащий компонент в виде гранул с влажностью 5% и менее, способный абсорбировать жидкость более чем 1:1, при этом абсорбирующий материал имеет объемную плотность менее 0,576 г/куб. см.

Недостатком является недостаточно высокая адсорбционная способность.

Задачей настоящего изобретения является получение гранулированного сорбента, обладающего высокой сорбционной емкостью и способностью удерживать запахи.

Технический результат состоит в расширении арсенала экологически чистых и безопасных сорбентов. Заявленная гранулированная смесь может быть реализована в качестве сорбента, применяемого для сбора жидких и газообразных отходов промышленного и сельскохозяйственного производства, в том числе воды, мочевины, бензина, нефти, масла, смазки, растворителей, аммиака и других газообразных соединений. Заявленная гранулированная смесь может быть реализована в качестве гигиенического сорбента для сбора и утилизации выделений продуктов жизнедеятельности человека и домашних животных, в том числе наполнителей туалетов, подстилки для животных. Изобретение предохраняет окружающую среду от распространения запахов и загрязнений, обеззараживает продукты жизнедеятельности.

Технический результат достигается тем, что гранулированный сорбент для гигиены и экологии мест обитания в виде гранул с влажностью не более 5%, содержащий целлюлозосодержащий компонент, способных абсорбировать жидкость более чем 1:1, отличается от аналога тем, что выполнен в виде гранулированной смеси целлюлозосодержащего компонента и вермикулита с размерами частиц не более 2,0 мм при следующем соотношении, масс. %:

при этом гранулы характеризуются прочностью не менее 15 Н, адсорбционной емкостью не менее 25 мг/г, влагопоглощением не менее 120%.

В качестве целлюлозосодержащего компонента используют отходы лесопильного производства в виде опилок, и/или отходы фанерного производства в виде шлиф-пыли, и/или отходы лесоперерабатывающего производства в виде гидролизного лигнина и/или измельченной древесной зелени хвойных пород деревьев.

Гранулы, полученные прессованием или экструзией, имеют овальную или плоскообразную форму.

Вермикулит - это слюда высокой степени гидратированности, которая способна при нагревании к многократному расширению. Это происходит вследствие вскипания физически связанной воды. Образующийся пар расширяет и разделяет слои, в результате чего объем кристалла увеличивается в 20-25 раз. Слабая связь конструкции минерала обеспечивает высокие адсорбционные свойства вермикулита.

Из патента РФ №2077841 известно, что «...вспученная гидрослюда представляет собой смесь частиц различного размера, которые варьируются от нескольких мкм до 10 мм. Как показали исследования, существует четкая взаимосвязь между размерами частиц вспученной гидрослюды и сорбционной способностью данного класса частиц. Наибольшая сорбционная емкость 450 мас. для воды и 70 мас. для аммиака наблюдается у частиц наименьшего размера от нескольких мкм до 1 мм. С увеличением размера частиц величина сорбционной емкости снижается».

Для проведения исследований был применен вспученный неотфракционированный вермикулит с пылевидными, мелкими и средними фракциями вермикулита - размеры частиц 0,01-4,00 мм. Пылевидные и мелкие частицы вермикулита практически нигде не используются и являются отходом производства, так как использование мелких фракций в чистом виде приводит к загрязнению окружающего воздуха. Предлагаемое изобретение позволяет решить проблему утилизации мелких фракций.

В качестве целлюлозосодержащего компонента использовали следующие материалы:

- опилки - отходы лесопильного производства с размерами частиц 0,01-5,00 мм;

- шлиф-пыль - отходы фанерного производства;

- гидролизный лигнин - отходы лесоперерабатывающего производства;

- отходы производства препарата ВЭРВА (патент РФ №2298327), выпускаемого инновационным предприятием при Институте химии Коми НЦ УрО РАН, представляющие собой сухой остаток после щелочной экстракции зелени хвойных пород древесины. Сухой остаток получают после обработки измельченной древесной зелени хвойных пород (хвои, в основном, и побегов первого года - до 5 мм толщиной) раствором едкого натра при комнатной температуре с целью экстракции низкомолекулярных веществ (патент РФ № 2089208) и сушки (любым способом). В химическом составе сухого остатка преобладает целлюлоза.

Для изготовления гранулированного сорбента в качестве основного компонента брали целлюлозосодержащий компонент. Высушенное до влажности 12% и менее целлюлозосодержащее сырье, смешанное с частичками вермикулита, подавали в гранулятор. Для обеспечения требуемой сорбционной емкости гранулы со способностью абсорбировать жидкость более чем 1:1, исходным соотношением брали целлюлозосодержащий компонент: вермикулит - 95:5 (масс. %). Прессование проводили на грануляторе при температуре до 100°С, в результате происходило обжатие частиц целлюлозосодержащего компонента и частичек вермикулита. Дополнительная прочность гранул обеспечивалась за счет пылевидного вермикулита, частицы которого входили в межструктурное пространство целлюлозосодержащего материала. При использовании матрицы с цилиндрическим отверстиями получали цилиндрическую форму гранул диаметром 4-6 мм длиной до 20 мм. Полученные гранулы с влажностью не более 5% герметично упаковывали. Для получения плоских гранул использовали насадку. Метод гранулирования посредством экструзии также может быть применен для получения гранул.

Для определения максимально возможного количественного соотношения целлюлозосодержащего компонента и вермикулита проводили эксперимент, в процессе которого измеряли прочность гранул. Измерения проводили на ручном гидравлическом прессе с усилием до 100 кг/см². Прочность фиксировали в момент разрушения гранулы. По результатам эксперимента был проведен анализ композиционного материала на максимальное содержание вермикулита в грануле, при котором гранулы имели прочность не менее 15Н и сохраняли свои свойства по прочностным характеристикам. Результаты представлены в таблице 1.

Плотность гранул определяли объемно-весовым методом. Равномерность распределения вермикулита в смеси определяли по микрофотографиям (фиг. 1) Адсорбционную емкость по влагопоглощению устанавливали при первом появлении свободной жидкости. Адсорбционную емкость сорбента по поглощению запаха определяли субъективными ощущениями (результаты представлены в таблице 2). Для выявления экологической чистоты и безвредности сорбента проводили микрозондовой анализ. На фиг. 2 представлен спектр рентгенофлуорисцентного анализа полученных гранул, показывающий, что в конечном продукте содержание тяжелых металлов отсутствует, это обосновывает экологическую чистоту и безопасность конечного продукта для человека и домашних животных. Исследования адсорбции проводили на домашних животных при использовании сорбента в качестве наполнителя (кошки), в животноводческих помещениях при использовании сорбента в качестве подстилки (куры, козы), на дачном участке при использовании сорбента в качестве засыпки в биотуалет. Данные приведены в таблице 2.

Проведенные эксперименты показали, что оптимальным следует считать уплотнение вермикулита на 15-25%.

Гранулированный наполнитель, в виде смеси целлюлозосодержащего компонента и частиц вермикулита, взятых в эффективном количестве, создает отсутствие запаха до 7 суток, а в случае добавления в сорбенте антисептических веществ - до 14 суток. Исследования показали, что в качестве сорбента могут быть использованы смеси отдельных целлюлозосодержащих компонентов в различных соотношениях, т.к. проявляют близкие химико-физические характеристики. Гранулы наполнителя, или сорбционной подстилки, или сорбента для применения в биотуалете, полученные в виде гранулированной смеси, сохраняют форму, не создают грязи, не наносят вреда их здоровью даже при поедании. Известно, что древесная зелень хвойных пород деревьев и вермикулит используют в качестве кормовых добавок в рационе животных и птиц (например, патенты РФ №2120768, 2485793). Кроме того, сорбент на основе сухой древесной зелени хвойных пород деревьев является антисептиком, ароматизирует воздух запахом пихты, или ели, или сосны и обеспечивает повышенные гигиенические условия содержания домашних животных, обеззараживание продуктов их жизнедеятельности.

Предлагаемый гранулированный сорбент может быть использован как сорбент для сбора разливов бензина, нефти, масла, смазка, растворителей. Отработанный сорбент может быть утилизирован путем сжигания или подвергнуть микробиологической очистке.

Использованный гранулированный сорбент легко утилизируются или может быть использован в качестве полезного средства.

Области применения в сельском хозяйстве довольно широки: как подстилка для крупного и мелкого скота, сорбционное средство для удаления жидкостей (вода, мочевина, аммиак и т.п.) и газов (углекислый и сернистый газы, а также метан и вещества категории тиолов), сорбент и наполнитель при изготовлении сопутствующих удобрений из навоза, как средство (носитель) внесения антисептических средств в микросреду обитания животных, средство (сорбент) утилизации продуктов жизнедеятельности животных, а также в чистом виде как грунт и/или добавка в грунт для садоводческих целей, при насыщении (обогащении) сорбента дополнительными средствами (например, "ВЭРВА") - как подкормка для растений. В домашнем хозяйстве предлагаемое изобретение может служить наполнителем для туалетов домашних животных, грунтом и/или добавкой в грунт для рассады, а также сорбентом для биотуалетов.

Сопутствующим использованием можно считать утилизацию использованного в качестве подстилки или наполнителя для туалетов домашних животных сорбента в виде естественного удобрения в сельском и домашнем садоводческом хозяйстве. Более того, вермикулит естественным образом способен раскислять почву, что в условиях Северной и Арктической зоны России является довольно актуальным.