Природные процессы образования удобрения из органического сырья обычно протекают медленно [1].
Микроорганизмы, грибы и растения накапливают биомассу и, по сути, запас потенциальной энергии. В накапливаемой за год биомассе содержатся энергоресурсы, превышающие потребляемые человечеством за год энергоресурсы в 4–6 раз [2].
Хорошо известный факт, что основными видами сырья для получения гуминовых кислот являются торфы, почвы, бурые и выветрившиеся каменные угли [3, 4]. Гуминовые кислоты получают из них посредством подкисления щелочных растворов из этих продуктов.
Вещества на основе гумина используются для разных целей. Их можно использовать для повышения плодородия почв, особенно после истощения этих почв в результате многолетнего использования под одни и те же культуры. Гуминовые вещества также очень эффективны в качестве добавок, позволяющих значительно, иногда до 50 %, повышать урожайность сельскохозяйственных культур. Их также часто используют для восстановления засоленных земель, земель с высоким содержанием песчаных грунтов и др.
Кыргызстан имеет очень маленькую площадь сельскохозяйственных угодий. Поэтому задачи повышения плодородия сельскохозяйственных угодий и восстановления потерянных земель имеют важнейшее значение для государства. Использование гуминовых веществ в этих целях – одно из важнейших направлений развития индустрии органических удобрений.
При всем разнообразии видов сырья для получения гуминовых кислот Кыргызстан, тем не менее, имеет свою особенность. Здесь полностью отсутствуют торфы – основной вид сырья для получения гуминовых кислот. Однако имеются крупные залежи бурых углей.
Но надо учесть, что каждое месторождение угля имеет определенный состав и свойства. Необходимо провести тщательное исследование и разработать технологии с учетом состава и свойств сырья. В данной статье в качестве объекта исследования был выбран окисленный бурый уголь Кызыл-Кийского месторождения.
Цель работы: разработка методики получения гумата калия из окисленной органической массы Кызыл-Кийского месторождения, который в дальнейшем можно будет использовать в качестве удобрения.
Получение гумата калия
Получение гумата калия и анализ его состава проведены в соответствии с методикой, рассмотренной в работах [5–7].
Смесь гуминовых удобрений получена из местных почв путем химической переработки.
Для получения водно-щелочной среды был использован метод активизации воды.
Известно, что в процессе электролиза происходит активизация воды, т.е. вода оказывается насыщенной свободным водородом, что, в свою очередь, приводит к образованию кислотной или щелочной водной среды.
Процесс активизации воды, или, иными словами, процесс получения кислотной или щелочной водной среды, протекает следующим образом: при подведении напряжения к электродам, между которыми размещают воду, через выбранный объем воды течет ток, состоящий из электронов и ионов. Поток ионов проходит через полупроницаемую пластину, в качестве которой используется керамический стакан. Данный керамический стакан создает разность потенциалов между областями по разную сторону керамической пластины. Результатом такого разделения является образование по одну сторону керамической преграды водно-щелочной среды, а по другую сторону водно-кислотной среды. В образовавшейся водно-щелочной среде происходит восстановление активных металлов, таких как кальций, магний, барий и др., которые после этого выпадают в осадок. Что касается гидроксидов легких металлов, таких как калий, натрий, то они не выпадают в осадок и находятся в растворенном виде.
Для получения активизированной щелочной водной среды использовался специальный аппарат – электролизер.
Разработанный электролизер лабораторного класса представляет собой две пластины из нержавеющей стали, которые используются в качестве электродов. Расстояние между пластинами 50 мм. В качестве полупроницаемой мембраны используется керамический стакан диаметром 110–110 мм и высотой 140–210 мм.
Для электролиза брался объем воды в кубических дециметрах. Процесс разложения воды длится 3–8 минут, что зависит от потребности в водно-щелочном растворе. Далее рН среды воды измеряли с помощью ионометра ЭВ-74 и рН метром U-500.
До измерения рН среды исследуемые воды сначала обе иономера калибировали с помощью Государственного стандартного образца (ГСО). Буферный раствор приготовляли согласно 2-му разряду ГСО. Для определения pH щелочной и кислотной водных растворов также использовали бумажные индикаторы. Выделение свободных газов в процессе активизации воды, таких как SO2, NO2, H2S, фиксировалось с помощью газоанализатора.
Если активацию воды поддерживать в течение 30–40 мин, то высокоактивные металлы восстанавливаются и нерастворимые ионы выпадают в осадок. Осадок фильтровали с помощью пористо-пластинчатой воронки. Для растворения использовали 0,1 Н раствор гидроксида натрия. Выщелачивание проводилось до pH~10. Для определения содержания кальция и магния на каждые 100 мл анализируемого раствора долтвали 5 мм аммонийной буферной смеси.
Перед водно-щелочной экстракцией исследуемые пробы просушивали, просеивали через вибросито размером 0,076 мм. Затем проводили ситовой анализ. Он основан на механическом разделении частиц по размерам. Исследуемый порошок загружается на вибросито с ячейками известного размера и путем встряхивания, постукивания или другими способами вибрации разделяется на остаток и отход. После этого на механических весах ВЛКТ-500 взвесили 60 г естественной почвы, добавили аммиачную селитру, едкий калий, воду и хорошо перемешали и оставили в покое на 1 сутки. В течение этого времени каждые 3–4 часа проводилось механическое помешивание.
Оставшаяся смесь загружается в электромешалку с частотой оборотов 1500 об/мин. Загрузка осуществляется постепенно, в течение 15–20 мин. Затем смесь отстаивается в течение 30 мин, после чего растворенный гумат калия фильтруется через 6 слоев медицинской марли. Только после этого производится определение дисперсных фракций с помощью ситового анализа (табл. 1).
РН среды и содержание нитратов в растворе гумата калия измеряли при помощи универсальных иономеров ЭВ74 и И – 500. Показания в обоих иономерах в этих измерениях совпадали. Результаты измерений сведены в табл. 2.
Из раствора гумата калия осаждается гуминовая кислота методом нейтрализации, для чего используется соляная кислота с избытком.
Также было проведено исследование процентного содержания в гумате азота, фосфора, калия, гуминовой кислоты, зольности и наличие микроэлементов (табл. 3) по методике, представленной в работах [6–7].
|
Сушка сырья |
v
|
Просеивание сырья через вибросито |
v
|
Перемешивание сырья и дальнейшее его выщелачивание |
v
|
Водно-щелочное экстрагирование |
v
|
Осаждение |
v
|
Фильтрация |
v
|
Размещение готовой продукции – гумата калия – в стандартную тару |
Технологическая схема получения гуминового удобрения
Из табл. 3 видно, что содержание азота, фосфора, калия, гуминовой кислоты, зольности и микроэлементов в гумате калия соответствует нормам органических удобрений. Поэтому гумат калия, полученный по рассмотренной технологии, предполагается использовать в качестве эффективного органического удобрения.
Таблица 1
Содержание гумата калия по тонкодисперсным фракциям, в %
|
Наименования ингредиентов вещества |
Количество ингредиентов в составе, г |
Содержание частиц, % размером менее |
|
|
10 мкм |
1 мкм |
||
|
Раствор гумата калия |
30 |
св. 85 |
св. 15 |
|
NH4NO3 |
6 |
||
|
KOH |
5 |
||
Таблица 2
Результаты измерений РН – среды и содержания нитратов в растворе гумата калия
|
Наименование вещества |
Количество в мл |
Измерительные иономеры |
|||
|
ЭВ–74 |
ЭВ–74 |
И –500 |
И- 500 |
||
|
Раствор гумата калия |
50 мл |
РН |
NO3- |
РН |
NO3- |
|
7,6 |
34,4 |
7,8 |
34,8 |
||
Таблица 3
Состав гумата калия
|
№ п/п |
Наименование элементов |
Содержание элементов в, % |
№ п/п |
Микроэлементы в, % |
|
1 |
Общий калий |
1,2–2,4 |
6 |
Натрий (Na2O) – 2,8 |
|
2 |
Общий азот |
34,4–34,8 |
7 |
Кальций (CaO) – 0,7 |
|
3 |
Общий фосфор |
2,5–4,1 |
8 |
Магний (MgO) – 0,85 |
|
4 |
Выход гуминовой кислоты |
27–28 |
9 |
Железо – 0,6 |
|
5 |
Зольность |
19–19,5 |
10 |
Мед – 0,98 |
Анализ состава сырьевых продуктов проводился в том числе методами голографической интерферометрии [8–10]. Данный подход оказался достаточно эффективным для оценки размеров частиц, входящих в состав сырьевых материалов.
По результатам экспериментальных исследований была разработана технологическая схема получения гумата калия из органической массы Кызыл-Кийского месторождения. Эта схема представлена на рисунке.
Выводы
Проведены исследования процессов получения гумата калия водно-щелочным экстрагированием из окисленной органической массы. Исследованы зольность и дисперсность раствора гумата калия, полученного из органической массы Кызыл-Кийского месторождения Кыргызстана, имеющего достаточно большие запасы сырья для организации широкого производства. Также исследовано химическое содержание макро- и микроэлементов в органической массе. Рассчитаны PH среды и определено содержание нитратов в растворе гумата калия. Результаты исследований показывают, что полученный раствор гумата калия пригоден для производства органических удобрений, а рассмотренный метод может быть внедрен в широкое производство.
Как показали исследования, в растворе гумата калия более 85 % частиц имеют размеры менее 10 мм, а содержание частиц размером менее 1 мм более 15 %. Выход гумата калия из бурых углей Кызыл-Кийского месторождения составил около 75–80 %. На основе результатов исследования разработана технологическая схема получения гумата калия из органической массы Кызыл-Кийского месторождения. Особенностью технологии является простота и большой выход гумата калия.
Показано, что в настоящее время одним из наиболее перспективных источников сырья для производства гумата калия является бурый уголь Кызыл-Кийского месторождения, так как это сырье показало высокие результаты по предварительным качественным характеристикам получаемого из него продукта.