| Реферат |
Изобретение относится к способам получения модифицированного биоугля предназначенного для улучшения плодородия почв.
Состав раствора связующего вещества для получения модифицированного биоугля для улучшения плодородия почв состоит из следующих компонентов, мас. %:
азофоска - от 5 до 30 %;
карбамид - от 0,1 до 10 %;
декстрин - от 6 до 20 %;
вода - остальное.
Техническим результатом заявляемого изобретения является получение модифицированного биоугля предназначенного для улучшения плодородия почв с микроэлементами и улучшенной транспортабельностью, пригодностью к процессу его перевозки, перемещению с сохранением свойств.
Изобретение относится к способам получения модифицированного биоугля предназначенного для улучшения плодородия почв, а именно к составу раствора для получения биоуголя с микроэлементами фосфор, калий, кальций, магний, натрий.
Известен способ грануляции пироугля с иммобилизованными микроорганизмами и гранулы, полученные указанным способом [RU 2698659 C1, МПК C05G 5/00 (2006.01), C05G 3/00 (2006.01), C05F 3/00 (2006.01), опубл. 28.08.2019], в котором в гранулятор подают пироуголь в количестве 1 кг с влажностью до 5%, со средним линейным размером частиц пироугля не более 2 мм ± 0,5 мм, при этом добавляют на 1 кг пироугля с иммобилизованными микроорганизмами 500 мл пластификатора, представляющего собой водный раствор Кремнезоля «ЛЭЙКСИЛ®» 40-AL в соотношении кремнезоль: вода = 4:1, затем выполняют процесс гранулирования при температуре 40°С ± 10°С и атмосферном давлении с получением целевого продукта в виде гранул с размером 4 мм. Далее выполняют сушку гранул при комнатной температуре в течение 2 часов. Гранулы пироугля имеют размер макропор не менее 5 мкм, удельную площадь поверхности не менее 10 м2/кг, содержание по сухому веществу углерода не менее 40% вес., азота не менее 3,5% вес., фосфора не менее 1,5% вес., калия не менее 4% вес.
Недостатком данного способа является сложность и трудоемкость технологического процесса получения продукта.
Известно улучшенное удобрение [RU 2788485 C1, МПК C05F 1/00 (2006.01), C05G 1/00 (2006.01), опубл. 20.01.2023], представляющее собой твердое удобрение в форме дискретных частиц, где каждая частица твердого удобрения содержит неорганический материал, содержащий по меньшей мере один из питательных элементов N, Р, K или S, где неорганический материал выбран из одного или нескольких жидких и твердых неорганических удобрений, включающих сульфат аммония, АРР (полифосфат аммония), NPK (азот, фосфор, калий), NO3PK, SOA (сульфат аммония), MAP (моноаммонийфосфат), DAP (диаммонийфосфат), мочевину, CAN (нитрат кальция аммония), МОР (хлористый калий), SOP (сульфат калия), и нагреваемый органический материал или торрефицированный органический материал (продукт с лабильным углеродом из органических отходов).
Недостатком аналога является исполнение удобрения в виде дискретных частиц разной фракции, что будет приводить к большим потерям при использовании на полях или открытых площадках за счет выдувания ветром. Кроме того, при транспортировке удобрение будет истираться, приводя к увеличению потерь при внесении.
Известен способ получения удобрения на основе пироугля, содержащего микроэлемент иод [RU 2720913 C1, МПК C05G 3/00 (2006.01), C05F 3/00 (2006.01), опубл. 14.05.2020], выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что берут 10 мг иодида калия, растворяют его в 100 мл дистиллированной воды, а также берут кремнезоль с массовой концентрацией диоксида кремния 39-41% и размером мицелл не более 6 нм, смешивают его с водой в соотношении 1 часть кремнезоля к 3 частям воды. Затем смешивают 100 мл раствора иодида калия и 400 мл раствора кремнезоля, после чего берут 1 кг пироугля и добавляют к нему 500 мл полученного водного раствора иодида калия и кремнезоля. Далее пироуголь гранулируют, а гранулы пироугля выдерживают при температуре 35°С в течение 4-х часов.
К недостатку прототипа можно отнести наличие только одного микроэлемента (йода), что требует внесения дополнительных удобрений для получения высокого плодородия растений, недостаточная прочность и эффективность применения по назначению.
Проблема известных способов получения биоугля предназначенного для улучшения плодородия почв, заключается в том, что полученный биоуголь в процессе его перевозки, перемещения утрачивает свойства, в то время как при транспортировке требуется сохранить комплекс признаков, которые позволяют доставить биоуголь в места назначения в пригодном для использования виде и применить по назначению с определенной эффективностью. Прочность модифицированного биоугля по условию транспортировки должна соответствовать следующим требованиям (ГОСТ Р 57016 - 2016): прочность на сбрасывание (SM) - не менее 85 %, прочность на истирание (DUr) - не менее 80 %. Биоуголь полученный при использовании известных спросов не обладает необходимыми свойствами, прочность на сбрасывание менее 85 %, прочность на истирание менее 80 %.
Техническим результатом заявляемого изобретения является получение модифицированного биоугля предназначенного для улучшения плодородия почв с микроэлементами и улучшенной транспортабельностью, пригодностью к процессу его перевозки, перемещению с сохранением свойств.
За счет обеспечения механической прочности гранул биоугля на сбрасывание более 85%, на истирание более 80 % при транспортировке сохраняется целостность и структура гранул с микроэлементами.
Технический результат достигается тем, что состав раствора связующего вещества для получения модифицированного биоугля для улучшения плодородия почв состоит из следующих компонентов, мас. %:
азофоска - от 5 до 30 %;
карбамид - от 0,1 до 10 %;
декстрин - от 6 до 20 %;
вода - остальное.
Прочность получаемого модифицированного биоугля на сбрасывание составляет не менее 85 %, прочность на истирание не менее 80 %, что обеспечивает необходимые условия транспортировки и применения по назначению с достаточной эффективностью.
В способе получения модифицированного биоугля для улучшения плодородия почв смешивают водный раствор связующего вещества, содержащего азофоску, карбамид, декстрин, с биоуглем, после чего гранулируют, причём биоуголь измельчают до размера менее 0,5 мм, смешивают измельченный биоуголь с полученным раствором связующего вещества в заданном соотношении, выбирая соотношение раствора связующего вещества и измельченного биоугля от 2 к 10 до 6 к 10, полученную смесь прессуют при давлении от 75 до 225 МПа и температуре от 16 до 100°C в гранулы или брикеты, которые высушивают при температуре от 16 до 160°C.
Осуществление изобретения.
Способ получения биоугля для улучшения плодородия почв относится к технологии получения гранулированного модифицированного биоугля.
Биоуголь предназначен для использования в качестве структурообразователя или улучшителя почвы, мелиоранта, выполняет функцию удобрения, и может применяться в сельском хозяйстве, предприятиях агропромышленного комплекса. Добавление модифицированного биоугля в почву позволяет повысить её плодородие, увеличить урожайность выращиваемых растений.
В способе получения модифицированного биоугля для улучшения плодородия почв смешивают водный раствор связующего вещества, содержащего азофоску, карбамид, декстрин, с биоуглем, после чего гранулируют, причём биоуголь измельчают до размера менее 0,5 мм, при температуре от 450 до 650°C, смешивают измельченный биоуголь с полученным раствором связующего вещества в заданном соотношении, оптимальное соотношение раствора связующего вещества и измельченного биоугля от (2:10) до (6:10), полученную смесь прессуют при давлении от 75 до 225 МПа и температуре от 16 до 100°C в гранулы или брикеты, которые высушивают при температуре от 16 до 160°C.
Состав раствора связующего вещества для получения модифицированного биоугля для улучшения плодородия почв состоит из следующих компонентов, мас. %:
азофоска - от 5 до 30 %;
карбамид - от 0,1 до 10 %;
декстрин - от 6 до 20 %;
вода - остальное.
Раствор связующего вещества получают добавлением в воду указанных компонентов в заданном количестве % масс.
Используют биоуголь полученный путём пиролиза из навоза, помета, скорлупы кедрового ореха, сосновых опилок.
Биоуголь измельчают при температуре от 450 до 650°C, до размера менее 0,5 мм, и смешивают с полученным раствором связующего вещества в заданном соотношении (например 3:2), при этом оптимальное соотношение раствора связующего вещества и измельченного биоугля от (2:10) до (6:10).
Полученную смесь прессуют при давлении от 75 до 225 МПа и температуре от 16 до 100°C в гранулы или брикеты, которые высушивают при температуре от 16 до 160°C.
Минимальная температура прессования и сушки, равная 16°C, выбрана из соображения осуществления процесса в производственных помещениях, температура внутри которых согласно СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания» не должна быть меньше 16°C.
Повышение температуры сушки свыше 160°C может привести к термической деструкции декстрина [Федосеев С.Д., Чернышев А.Б. Полукоксование и газификация твердого топлива. - М.: Гостоптехиздат, 1960], являющегося компонентом раствора связующего вещества, что приведет к разрушению гранулированного биоугля или его самовозгоранию. Как показано в работе [Tabakaev, R., Ibraeva, K., Astafev, A. et al. Pine nut shells of Siberian cedar as a resource for the high-strength smokeless fuel. Biomass Conv. Bioref. 14, 6737-6747 (2024). https://doi.org/10.1007/s13399-022-02820-7], на примере получения гранул бездымного топлива, увеличение доли декстрина свыше 15 % не приводит к повышению прочности гранул. При этом себестоимость брикетов значительно увеличивается.
Температура пресования 100°C или менее, нагрев прессуемой смеси из связующего раствора и измельченного биоугля свыше 100°C нецелесообразен, так как приводит к испарению связующего раствора и, как следствие, увеличит себестоимость получаемого продукта.
Способ обеспечивает получения биоугля обладающего достаточной прочностью (на истирание и сжатие) для транспортировки с сохранением свойств, содержащего в своем составе микроэлементы (фосфор, калий, кальций, магний, натрий), улучшающие рост растений.
Микроэлементы (минеральные удобрения: фосфор, калий, кальций, магний, натрий) вводят в состав гранул биоугля на этапе формования связующего раствора - путем введения в воду декстрина в количестве от 6 до 20 %; как правило 12 % масс. с учётом допустимых отклонений.
Прочность биоугля на сбрасывание (SM) составляет 85 % и более, прочность на истирание (DUr) 80 % и более.
Получение модифицированного биоугля предназначенного для улучшения плодородия почв с улучшенной транспортабельностью, пригодностью к процессу его перевозки, перемещению с сохранением свойств.
Добавление модифицированного биоугля, полученного на основе навоза с добавлением азофоски и мочевины, повышает урожайность выращивания пшеницы на 311 %. Добавление модифицированного биоугля, полученного на основе помета, с добавлением азофоски и мочевины, повышает урожайность выращивания пшеницы на 235 %.
Таблица №1. Эффективность использования биоугля.
№ Вариант Урожайность, /га Прирост к контролю, %
1 Контроль 0,242 0
2 Гранулированный биоуголь из помета 0,813 235%
3 Гранулированный биоуголь из навоза 0,995 311%
Количество внесения биоугля в почву обычно находится в диапазоне от 10 до 30 т/га [Тюрина Е.А., Свиридов М.К., Нестерова О.В., Сакара Н.А. Бизнес-модель применения биоугля сельхозпроизводителями с учётом концепции LCA (Life Cycle Assessment) и углеродного следа // Известия Дальневосточного федерального университета. Экономика и управление. - 2022. - №. 4 (104). - С. 106-120; Попова А.Д., Семаль В.А., Брикманс А.В., Нестерова О.В., Колесникова Ю.А., Бовсун М.А. Применение биоугля как мелиоранта и его влияние на изменение физических свойств агропочв юга Приморского края // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - 2019. - №. 6 (176). - С. 57-63.]. При этом на дерново-подзолистых почвах высокая агрономическая эффективность как мелиоранта почвы достигается при фактическом внесении биоугля в дозе 10 т/га [Иванов А.И. Биоуголь в технологиях освоения закустаренной залежи // Материалы международного научного семинара «Биоуголь: свойства, применение в сельском хозяйстве, влияние на почвы, растения и окружающую среду» ФГБНУ АФИ, Санкт-Петербург, Россия, 08 декабря 2020 г. - С. 44-48].
Пример 1.
Измельчают биоуголь, полученный при пиролизе помета при температуре 550°C, до размера фракции менее 0,5 мм. Получают раствор связующего вещества, смешивая компоненты в следующем соотношении:
Азофоска - 5 %;
карбамид - 1,6 %;
декстрин - 10,0 %;
вода - остальное до 100%.
Раствор связующего вещества смешивают с измельченным биоуглем в соотношении 5 к 10. Полученную смесь прессуют при давлении 150 МПа и температуре 20°C в цилиндрические биоугольные гранулы размером 15 мм × 10 мм, которые высушивают при температуре 60°C в течение 300 минут в сушильном шкафу ШС-160-02. Механическая прочность полученных биоугольных гранул на сбрасывание (SM) составила 99,5 %, прочность на истирание (DUr) - 93 %. За счет обеспечения механической прочности гранул при транспортировке сохраняется целостность и структура гранул с микроэлементами. После транспортировки биоугольные гранулы вносят в почву, которая находится в вегетационном сосуде с площадью сечения 0,045 м2, в следующей пропорции: 23 г биоугольных гранул на 2 кг почвы. Далее в вегетационный сосуд с почвой и биоугольными гранулами высаживают зерна яровой пшеницы сорта «Новосибирская-31» в количестве 10 семян. Урожайность зерна мягкой яровой пшеницы сорта «Новосибирская-31» в данном случае при пересчете на площадь вегетационного сосуда составляет не менее 0,81 т/га.
Урожайность зерна мягкой яровой пшеницы сорта «Новосибирская-31» в аналогичных условиях без внесения биоугольных гранул при пересчете на площадь вегетационного сосуда составляет 0,25 т/га.
Повышение урожайности выращивания яровой пшеницы сорта «Новосибирская-31» на 235%.
Пример 2.
Измельчают биоуголь, полученный при пиролизе навоза при температуре 600°C, до размера фракции менее 0,5 мм. Получают раствор связующего вещества, смешивая компоненты в следующем соотношении:
Азофоска - 4,0 %;
карбамид - 1,8 %;
декстрин - 12,0 %;
вода - остальное до 100%.
Раствор связующего вещества смешивают с измельченным биоуглем в соотношении 6:10. Полученную смесь прессуют при давлении 75 МПа и температуре 40°C в цилиндрические биоугольные гранулы размером 15 мм × 10 мм, которые высушивают при температуре 100°C в течение 120 минут в сушильном шкафу ШС-160-02. Механическая прочность полученных биоугольных гранул на сбрасывание (SM) составила 99,6 %, прочность на истирание (DUr) - 80 %. За счет обеспечения механической прочности гранул при транспортировке сохраняется целостность и структура гранул с микроэлементами. После транспортировки биоугольные гранулы вносят в почву, которая находится в вегетационном сосуде с площадью сечения 0,045 м2, в следующей пропорции: 30 г биоугольных гранул на 2 кг почвы. Далее в вегетационный сосуд с почвой и биоугольными гранулами высаживают зерна яровой пшеницы сорта «Новосибирская-31» в количестве 10 семян. Урожайность зерна мягкой яровой пшеницы сорта «Новосибирская-31» в данном случае при пересчете на площадь вегетационного сосуда составляет не менее 0,99 т/га.
Урожайность зерна мягкой яровой пшеницы сорта «Новосибирская-31» в аналогичных условиях без внесения биоугольных гранул при пересчете на площадь вегетационного сосуда составляет 0,25 т/га.
Повышение урожайности выращивания яровой пшеницы сорта «Новосибирская-31» на 311 %.
Пример 3.
Измельчают биоуголь, полученный при пиролизе помета при температуре 450°C, до размера фракции менее 0,5 мм. Получают раствор связующего вещества, смешивая компоненты в следующем соотношении:
Азофоска - 0,5 %;
карбамид - 0,1 %;
декстрин - 15 %;
вода - остальное до 100%.
Раствор связующего вещества смешивают с измельченным биоуглем в соотношении 4:10. Полученную смесь прессуют при давлении 120 МПа и температуре 60°C в цилиндрические биоугольные гранулы размером 15 мм × 10 мм, которые высушивают при температуре 160°C в течение 60 минут в сушильном шкафу ШС-160-02. Механическая прочность полученных биоугольных гранул на сбрасывание (SM) составила 99,5 %, прочность на истирание (DUr) - 95 %. За счет обеспечения механической прочности гранул при транспортировке сохраняется целостность и структура гранул с микроэлементами. После транспортировки биоугольные гранулы вносят в почву, которая находится в вегетационном сосуде с площадью сечения 0,045 м2, в следующей пропорции: 25 г биоугольных гранул на 2 кг почвы. Далее в вегетационный сосуд с почвой и биоугольными гранулами высаживают зерна яровой пшеницы сорта «Новосибирская-31» в количестве 10 семян. Урожайность зерна мягкой яровой пшеницы сорта «Новосибирская-31» в данном случае при пересчете на площадь вегетационного сосуда составляет не менее 0,27 т/га.
Урожайность зерна мягкой яровой пшеницы сорта «Новосибирская-31» в аналогичных условиях без внесения биоугольных гранул при пересчете на площадь вегетационного сосуда составляет 0,25 т/га.
Увеличение урожайности находится в пределах погрешности, что указывает на неэффективность внесения биоугольных гранул такого состава.
Пример 4.
Измельчают биоуголь, полученный при пиролизе ПОМЕТА при температуре 650°C, до размера фракции менее 0,5 мм. Получают раствор связующего вещества, смешивая компоненты в следующем соотношении:
Азофоска - 30 %;
карбамид - 20 %;
декстрин - 20 %;
вода - остальное до 100%.
Раствор связующего вещества смешивают с измельченным биоуглем в соотношении 10:10. Полученную смесь прессуют при давлении 150 МПа и температуре 20°C в цилиндрические биоугольные гранулы размером 15 мм × 10 мм, которые высушивают при температуре 100°C в течение 60 минут в сушильном шкафу ШС-160-02. Механическая прочность полученных биоугольных гранул на сбрасывание (SM) составила 99,5 %, прочность на истирание (DUr) - 89 %. Наглядно видно, что часть связующего выдавливается из пресс-формы, что свидетельствует о чрезмерном количестве связующего, что экономически нецелесообразно. Использование биоугольных гранул такого состава нецелесообразно в сельскохозяйственной деятельности из-за высокой себестоимости продукции.
Пример 5.
Измельчают биоуголь, полученный при пиролизе скорлупы кедрового ореха при температуре 600°C, до размера фракции менее 0,5 мм. Получают раствор связующего вещества, смешивая компоненты в следующем соотношении:
Азофоска - 4,3 %;
карбамид - 1,7 %;
декстрин - 6 %;
вода - остальное до 100%.
Раствор связующего вещества смешивают с измельченным биоуглем в соотношении 1:10. Полученную смесь прессуют при давлении 200 МПа и температуре 30°C в цилиндрические биоугольные гранулы размером 15 мм × 10 мм, которые высушивают при температуре 100°C в течение 60 минут в сушильном шкафу ШС-160-02. Полученные биоугольные гранулы полностью разрушились при механических испытаниях на сбрасывание, что указывает на недостаточное количество связующего вещества при их получении.
Пример 6. Измельчают биоуголь, полученный при пиролизе скорлупы кедрового ореха при температуре 500°C, до размера фракции менее 0,5 мм. Получают раствор связующего вещества, смешивая компоненты в следующем соотношении:
Азофоска - 4,3 %;
карбамид - 1,7 %;
декстрин - 12 %;
вода - остальное до 100%.
Раствор связующего вещества смешивают с измельченным биоуглем в соотношении 4:10. Полученную смесь прессуют при давлении 30 МПа и температуре 50°C в цилиндрические биоугольные гранулы размером 15 мм × 10 мм. Получить брикеты не удается из-за недостаточного давления прессования.
Пример 7.
Измельчают биоуголь, полученный при пиролизе сосновых опилок при температуре 500°C, до размера фракции менее 0,5 мм. Получают раствор связующего вещества, смешивая компоненты в следующем соотношении:
Азофоска - 4,0 %;
карбамид - 5,0 %;
декстрин - 8 %;
вода - остальное до 100%.
Раствор связующего вещества смешивают с измельченным биоуглем в соотношении 6:10. Полученную смесь прессуют при давлении 300 МПа и температуре 100°C в цилиндрические биоугольные гранулы размером 15 мм × 10 мм. Получить брикеты не удается из-за слишком высокого давления прессования, что приводит к выдавливанию связующего вещества из смеси.
Формула изобретения
Состав раствора связующего вещества для получения модифицированного биоугля, состоящий из следующих компонентов, мас. %:
азофоска от 0,5 до 30
карбамид от 0,1 до 10
декстрин от 6 до 20
вода остальное
|
