Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОРБЕНТА ИЗ ЛУЗГИ ПОДСОЛНЕЧНИКА

Предлагаемое техническое решение относится к области получения сорбционных материалов широкого спектра применения на основе природных полимеров растительного происхождения, а именно вторичных ресурсов - отходов маслоэкстракционного производства - лузги подсолнечника, и может быть использовано в медицине и ветеринарии, а также пищевой и химической промышленностях для очистки воды.

Известен способ получения пищевого сорбента из растительного сырья, включающий удаление из плодовой оболочки семян подсолнечника балластных веществ путем экстракции при температуре 45-50°С растворителем, выбранным из ряда: экстракционный бензин, петролейный эфир, нефрас, в течение 30-100 минут при соотношении плодовая оболочка семян подсолнечника - растворитель (1÷5):(1÷20) с последующим отделением плодовой оболочки семян подсолнечника от раствора балластных веществ в растворителе отстаиванием, добавление в отделенную плодовую оболочку семян подсолнечника воды, выдерживание полученной смеси 10-60 минут, замораживание и выдерживание при температуре (-4)÷(-20)°С в течение 30-240 минут с последующим размораживанием при температуре 25-100°С, сушку проводят при температуре 100-200°С (Патент РФ 2255803, В01J 20/24, 2005).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся многостадийность, значительная продолжительность процесса, сложность получения, а также высокие энергозатраты на замораживание и выдерживание смеси при отрицательной температуре, размораживание и сушку при повышенной температуре, неразвитая пористая структура.

Известен способ получения сорбента, сорбент, полученный этим способом, и использование сорбента в качестве кормовой добавки и медицинского средства, включающий измельчение плодовой оболочки вызревших семян подсолнечника, их кислотный гидролиз 1-36%-ным раствором серной, или соляной, или ортофосфорной кислоты в течение 1,5-4,5 ч в режиме кипения под давлением 0,3 МПа, промывку 0,1-1,0%-ным раствором щелочи и затем умягченной водой, сушку до образования биоактивного углеродсодержащего комплекса, представляющего собой пористую многоуровневую матрицу с интегральной пористостью 0,04-50 мкм, содержащую лигнин, целлюлозу, меланин, глюкозу, фруктозу, фенолкарбоновые кислоты и дубильные вещества. Изобретение далее раскрывает сорбент и его применение для профилактики и лечения заболеваний животных, вызванных микотоксинами, пестицидами, вирусными и бактериальными инфекциями, и в качестве добавки к корму в виде пищевых волокон (Евразийский патент 018404 B1, B01J 20/20, B01J 20/24, А61K 36/00, 2013).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся многостадийность, низкая эффективность технологического процесса, обусловленная использованием растворов кислот, в том числе с высокой концентрацией, и щелочи, высоким расходом промывных вод, необходимость специального оборудования для создания давления и проведения кислотного гидролиза при повышенной температуре.

Известен способ получения сорбента, включающий дробление скорлупы орехов, импрегнирование и обработку скорлупы сначала путем выдерживания ее в растворе концентрированной соляной кислоты в течение 15-30 ч, затем после промывки водой до нейтральной среды повторного выдерживания скорлупы в 33%-ном растворе едкого натрия в течение 2-2,5 ч, промывание до нейтральной рН, измельчение и сушку при 100°С (Патент РФ 2172209, В01J 20/20, С01В 31/08, 2001).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся ограниченность сырьевой базы, низкая эффективность технологического процесса, обусловленная использованием растворов соляной кислоты и едкого натрия с высокой концентрацией, высокий расход промывных вод, значительная продолжительность процесса, низкая сорбционная способность по отношению к ионам тяжелых металлов.

Известен способ получения композиционного сорбента на основе минерального и растительного углеродсодержащего сырья, включающий карбонизацию сырья при температуре 450-700°С и активацию водяным паром при температуре 750-850°С в течение 2-5 часов с использованием в качестве минеральной основы увлажненной до состояния высококонцентрированной суспензии монтмориллонитсодержащей глины с содержанием монтмориллонита не менее 20 масс. %, а в качестве растительной углеродсодержащей основы - продукты шелушения зерновых и технических культур: лузгу или шелуху крупностью 2-5 мм, смешанные в массовом соотношении по сухому веществу 1:(1-2,5) (Патент РФ 2597400, B01J 20/12, B01J 20/24, B01J 20/30, 2016).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся необходимость использования минерального компонента, сложность аппаратурного оформления, высокие энергозатраты на проведение процесса при повышенных температурах.

Известен способ утилизации лузги подсолнечной, включающий промывание лузги подсолнечника водой до неокрашенной промывной воды, сушку сначала при температуре 60-65°С, затем при 100-105°С, измельчение до размеров частиц 0,5-3 мм (см. патент РФ №2252819, B01J 20/24, B01J 20/30, 2005).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся большое количество стадий технологического процесса, что повышает себестоимость получаемого продукта, и низкая сорбционная емкость продукта.

Известен способ получения плавающего углеродного сорбента для очистки гидросферы от нефтепродуктов, включающий стадии сушки шелухи подсолнечника, необработанной модифицирующими веществами при 115-125°С в течение 4-6 часов, карбонизации при 400-500°С в течение 35-45 минут, последующего охлаждения в закрытом реакторе до температуры 55-65°С, осуществляемые в токе азота (Патент РФ 2527095, B01J 20/30, B01J 20/24, 2014).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся многостадийность, высокие энергозатраты на проведение процесса при повышенных температурах, низкая сорбционная способность по отношению к ионам тяжелых металлов.

Известен способ получения сорбента для очистки воды, включающий обработку гречневой лузги в растворе гидроксида натрия с концентрацией, равной 500 мг/л, в течение двух часов при комнатной температуре при соотношении твердой фазы и раствора гидроксида натрия, равном 1:(3-5), отделение твердой фазы фильтрованием, промывку и сушку (Патент РФ 2579129, В01J 20/30, B01J 20/24, C02F 1/28, 2014).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся ограниченность сырьевой базы, меньшая сорбционная способность гречневой лузги по сравнению с другими видами сырья, неустойчивость гречневой лузги к изменению параметров технологического процесса, что обусловливает низкий выход конечного продукта, а также образование сточных вод в процессе промывки.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к предлагаемому техническому решению и выбранным за прототип является способ получения сорбционных материалов на основе лузги подсолнечника и шелухи гречихи, включающий промывание горячей дистиллированной водой (90°С) с целью удаления водорастворимых компонентов - полисахаридов и полифенолов, после - смесью бензола и этилового спирта (1:1), удаляя тем самым жирорастворимые соединения, красящие пигменты, замачивание в концентрированной соляной кислоте с последующим инклюдированием 33%-ного едкого натра в течение 2-х часов при комнатной температуре, промывание полученного материала дистиллированной водой до нейтральной реакции промывных вод, сушку в сушильном шкафу при 80°С до постоянной массы и измельчение с помощью лабораторной мельницы до фракции 0,3-0,5 мм (Ямансарова Э.Т. Перспектива применения новых сорбционных материалов для улучшения экологического состояния водных ресурсов / Э.Т. Ямансарова, Н.В. Громыко, Д.Н. Хасанова, М.И. Абдуллин // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Экономика и экологический менеджмент». - 2015. - №1 - С. 265-270).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся низкая эффективность технологического процесса, обусловленная использованием растворов соляной кислоты и едкого натрия с высокой концентрацией, высокий расход промывных вод, значительная продолжительность процесса, низкая сорбционная способность по отношению к ионам тяжелых металлов.

Задачей предлагаемого технического решения является увеличение сорбционной способности сорбента.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является получение сорбента с высокой сорбционной способностью за счет увеличения пористости, а также значительное сокращение длительности процесса.

Поставленный технический результат достигается тем, что способ получения сорбента из лузги подсолнечника включает замачивание лузги подсолнечника, сушку до постоянной массы и измельчение с помощью лабораторной мельницы до фракции 0,3-0,5 мм, причем замачивание проводят в 0,5 М растворе гидроксида натрия в течение 45 минут, а сушат в поле СВЧ с удельной мощностью 0,1-0,5 Вт/см³.

Замачивание лузги подсолнечника в 0,5 М растворе гидроксида натрия обусловливает более быстрое набухание сырья и значительное увеличение доли связанной (поглощенной клеточными стенками сырья) воды в нем, что обеспечивает усиление разрушающего воздействия поля СВЧ на клеточные стенки при сушке, приводящее к увеличению количества «пор» и, как следствие, к повышению сорбционной способности. Кроме того, создаваемая раствором гидроксида натрия щелочная среда увеличивает диссоциацию ионогенных групп меланинов и лигнина лузги подсолнечника. При этом гидрофильные ионогенные группы ориентируются «наружу», а гидрофобные участки «внутрь» частиц, что обеспечивает их большую доступность для взаимодействия с ионами тяжелых металлов и повышает сорбционную способность.

Воздействие раствора щелочи на сырье приводит также к разрушению связей в комплексах целлюлоза-лигнин-гемицеллюлозы, что обеспечивает увеличение количества «пор» в сырье и повышение сорбционной способности. Уменьшение концентрации раствора гидроксида натрия ниже 0,5 М не обеспечивает достижение заданного технического результата. Увеличение концентрации раствора гидроксида натрия выше 0,5 М не способствует значительному увеличению сорбционной способности, но приводит к нерациональному использованию гидроксида натрия.

Кроме того, обработанная гидроксидом натрия лузга подсолнечника имеет щелочную рН среды, что обусловливает повышение рН сточных вод при взаимодействии с сорбентом. При наличии в сточной воде соединений тяжелых металлов это приводит к их гидролизу и образованию нерастворимых гидроксидов тяжелых металлов, сорбируемых поверхностью сорбента.

Проведение стадии набухания лузги подсолнечника в растворе гидроксида натрия менее 45 минут не обеспечивает завершение процесса, то есть не приводит к полному набуханию сырья, а более 45 минут - является неэффективным, так как дальнейшее набухание сырья значительно замедляется.

Сушка сырья в поле СВЧ характеризуется объемностью нагрева. Нагреву в поле СВЧ подвержены полярные диэлектрики, типичными представителями которых являются молекулы воды. Полярная молекула в электрическом поле стремится выстроиться таким образом, чтобы вектор диполя был противоположен вектору внешнего поля. Поскольку направление внешнего поля меняется с очень высокой частотой, полярная молекула совершает огромное количество поворотов за короткое время. При этом она постоянно сталкивается с соседними колеблющимися молекулами, в результате чего кинетическая энергия движения молекул в диэлектрике, а соответственно и его температура возрастают. При этом тепло проникает в продукт не с поверхности, а образуется сразу во всем объеме. Кроме того, поскольку поверхность продукта подвержена охлаждению, за счет испарения, температура внутри продукта всегда несколько выше, чем на поверхности. Это приводит к тому, что влага стремится выйти из внутренних областей на поверхность. Этому способствует и давление пара внутри продукта, образование которого при сушке в поле СВЧ происходит во всем объеме продукта. Возникающее при этом внутреннее давление производит частичное выдавливание влаги, за счет чего значительно повышается эффективность сушки и сокращается время процесса.

Кроме того, на первом этапе сушки выделение тепловой энергии за счет колебательного движения диполей молекул приводит к вскипанию внутриклеточного раствора и разрыву клеточной оболочки под действием избыточного давления образовавшегося пара в замкнутом межклеточном пространстве, что обеспечивает увеличение пористости сырья и повышение сорбционной способности. Также увеличивается растворимость водо- и щелочерастворимых компонентов и увеличивается скорость диффузионных процессов, что обеспечивает быстрое перераспределение извлекаемых компонентов из глубины частиц сырья к их поверхности за счет уноса вскипающим экстрагентом, что также обеспечивает увеличение пористости, сорбционной способности получаемого сорбента.

Обработка лузги подсолнечника в поле СВЧ с удельной мощностью ниже 0,1 Вт/см³ увеличивает продолжительность процесса и не обеспечивает достижения требуемого эффекта. Обработка лузги подсолнечника в поле СВЧ с удельной мощностью выше 0,5 Вт/см³ приводит к значительному повышению энергозатрат и себестоимости продукта.

Предлагаемый способ включает замачивание лузги подсолнечника в 0,5 М растворе гидроксида натрия в течение 45 минут, сушку в поле СВЧ с удельной мощностью 0,1-0,5 Вт/см³ до постоянной массы и измельчение с помощью лабораторной мельницы до фракции 0,3-0,5 мм.

Изобретение поясняется конкретными примерами, результаты которых обобщены в таблице. Для определения сорбционной емкости полученных сорбентов использовали стандартную методику, основанную в измерении оптической плотности раствора вещества-маркера (метиленового синего с концентрацией 1500 мг/л), полученного после контакта с навеской образца в течение точно заданного времени. Для определения сорбционной способности полученного материала по отношению к ионам железа и меди готовили модельные растворы, содержащие ионы Fe²⁺ (железоаммонийные квасцы) и Cu²⁺ (сульфат меди) соответственно в концентрации 0,6 и 1,0, а также 250,0 мг/л, в которых настаивались в течение 1 часа навески исследуемых материалов (0,5 г на 50 мл раствора). Остаточное содержание ионов железа в отработанном растворе проводили фотоколориметрированием окрашенного в ярко-желтый цвет комплексного соединения железа с сульфосалициловой кислотой в слабощелочной среде (рН=9, аммиачный буферный раствор), остаточное содержание ионов меди - фотоколориметрированием окрашенного в синий цвет комплексного соединения меди с 10% раствором аммиака.

Пример 1 (по прототипу). Лузгу подсолнечника промывают горячей дистиллированной водой (90°С), затем - смесью бензола и этилового спирта (1:1). После этого сырье замачивают в концентрированной соляной кислоте с последующим инклюдированием 33%-ного едкого натра в течение 2-х часов при комнатной температуре. Полученный материал промывают дистиллированной водой до нейтральной реакции промывных вод, высушивают в сушильном шкафу при 80°С до постоянной массы и измельчают с помощью лабораторной мельницы до фракции 0,3-0,5 мм.

Пример 2. Лузгу подсолнечника замачивают в 0,5 М растворе гидроксида натрия в течение 45 минут, затем сушат в поле СВЧ с удельной мощностью 0,1 Вт/см³ до постоянной массы и измельчают с помощью лабораторной мельницы до фракции 0,3-0,5 мм.

Пример 3. Лузгу подсолнечника замачивают в 0,5 М растворе гидроксида натрия в течение 45 минут, затем сушат в поле СВЧ с удельной мощностью 0,2 Вт/см³ до постоянной массы и измельчают с помощью лабораторной мельницы до фракции 0,3-0,5 мм.

Пример 4. Лузгу подсолнечника замачивают в 0,5 М растворе гидроксида натрия в течение 45 минут, затем сушат в поле СВЧ с удельной мощностью 0,3 Вт/см³ до постоянной массы и измельчают с помощью лабораторной мельницы до фракции 0,3-0,5 мм.

Пример 5. Лузгу подсолнечника замачивают в 0,5 М растворе гидроксида натрия в течение 45 минут, затем сушат в поле СВЧ с удельной мощностью 0,4 Вт/см³ до постоянной массы и измельчают с помощью лабораторной мельницы до фракции 0,3-0,5 мм.

Пример 6. Лузгу подсолнечника замачивают в 0,5 М растворе гидроксида натрия в течение 45 минут, затем сушат в поле СВЧ с удельной мощностью 0,5 Вт/см³ до постоянной массы и измельчают с помощью лабораторной мельницы до фракции 0,3-0,5 мм.

Cu^2+* - исходная концентрация 1,0 мг/л,

Cu²⁺** - исходная концентрация 250,0 мг/л,

Fe^2+* - исходная концентрация 0,6 мг/л,

Fe^2+** - исходная концентрация 250,0 мг/л.

Предлагаемый способ позволяет увеличить сорбционную способность продукта по МС на 3-12%, эффективность сорбции ионов меди - на 6-14,5%, ионов железа - 10-17%. При этом время получения сорбента сокращается в 7,8-13,6 раза.