CC BY
102
УДК 661.152.4
С. В. Гаврилов, Д. Д. Темершин, Ю. Д. Сидоров, А. В. Канарский
ЭКСТРАКЦИЯ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ ИЗ ТОРФА В ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ЯЧЕЙКЕ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ
Ключевые слова: торф, экстракция, электромагнитное перемешивание, гуминовые кислоты.
Разработана и изготовлена лабораторная установка для экстракции гуминовых кислот из торфа методом электромагнитного перемешивания. Исследованы влияние концентрации щелочи, температуры и продолжительности процесса на выход гуминовых кислот. Сравнена эффективность экстракции при электромагнитном и при механическом перемешивании.
Keywords: peat extraction, electromagnetic stirring, humic acid.
Have been developed and manufactured laboratory facility for the extraction of humic acids from peat by electromagnetic stirring. Have been investigated the effect of alkali concentration, temperature and duration of the output of humic acids. Have been compared extraction efficiency compared with electromagnetic and mechanical stirring.
Введение
Гуминовые кислоты являются основным компонентом торфа, определяющим его применение в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Эти вещества обладают высокой физиологической активностью и находят применение при разработке кормовых добавок для животных и удобрений для растений. Наличие большого количества функциональных групп в гуминовых веществах предопределяет их возможность вступать во взаимодействие с широким кругом веществ различной природы, что позволяет создавать на их основе детоксицирующие и адсорбирующие вещества [1, 4, 5].
Гуминовые кислоты экстрагируются из торфа в щелочной среде. Экстракция гуминовых кислот осуществляется в аппаратах с механическим перемешиванием. На выход гуминовых кислот влияет множество факторов, в частности предварительная обработка торфа
(механохимическая активация, термолиз), вид экстрагента, температура и продолжительность процесса [2]. Повышение температуры процесса экстракции значительно увеличивает выход гуминовых кислот [3].
Экстракторы, используемые для выделения гуминовых кислот из торфа, оснащают перешивающими и теплообменными устройствами. Однако наличие вращающихся деталей и теплообменного аппарата увеличивают износ оборудования и расход энергии а, следовательно, стоимость оборудования.
В этой связи перспективным является применение аппаратов с электромагнитным перемешиванием, в которых среда перемешивается под воздействием электромагнитного поля. При этом нагрев среды, вызванный ее электрическим сопротивлением.
Целью исследования является определение возможности использования электрохимической ячейки с электромагнитным перемешиванием для
эффективной экстракции гуминовых кислот из торфа.
Для достижения данной цели решались следующие задачи:
1. Разработка конструкции и изготовление лабораторной электрохимической установки для экстракции гуминовых кислот с электромагнитным перемешиванием;
2. Определить влияние концентрации гидроксида натрия и температуры на эффективность экстракции гуминовых кислот на лабораторной электрохимической установке с электромагнитным перемешиванием.
Методическая часть
Для проведения экспериментов изготовлена лабораторная электрохимическая установка с электромагнитным перемешиванием.
Принципиальная схема ячейки электрохимической установки представлена на рис. 1. анод
магнит кольцевой электрохимическая ячейка
катод
Рис. 1 - Схема ячейки электрохимической установки
Экстракция гуминовых веществ из торфа провидится в электрохимической ячейке, перемешивание торфа в которой, осуществляется за счет воздействия электромагнитного поля на торфяную суспензию, которая обладает
электропроводностью. Электромагнитное поле создается внутри экстракта в результате наложения магнитного поля на электрическое поле. Электрическое поле возникает между двумя электродами, один из которых выполнен в виде разомкнутого кольца и расположен по периметру ячейки, а другой находится в центре. При подаче электрического напряжения на электроды, в ячейке образуется электрическое поле, под действием которого перемещаются ионы. Под дном ячейки расположен магнит, индуцирующий постоянное магнитное поле, совмещение которого с электрическим полем придает ионам круговое движение. Смена полярности электродов приводила к вращению заряженных частиц также по кругу, но в обратную сторону.
В экспериментах использовался верховой торф с территории Чувашской республики. Торф первоначально измельчался грубо, до максимального размера частиц 3 мм. Затем торф просеивался и очищался от механических примесей. Полученный проход далее измельчался в ступке до максимального размера частиц 0,5 мм.
Из измельченного торфа экстрагировали гуминовые кислоты. Навеска торфа массой 2 г помещалась в электрохимическую ячейку, заливалась 200 мл раствором ЫаОИ. Содержание гуминовых кислот, в полученных после экстракции образцах, определялось
фотоэлектроколориметрическим методом.
Экстракция проводилась при величине тока в 1,1 А и напряжении 10 В.
Для определения влияния концентрации щелочи на экстракцию гуминовых кислот при электромагнитном перемешивании проводились эксперименты при концентрации ЫаОИ 0,5; 1,0; 2,0 г/л. Продолжительность экстракции составляла 80 минут.
Предварительно установлено, что электромагнитное перемешивание торфяной суспензии в ячейке, вызывает повышение температуры. Для определения влияния температуры среды на эффективность экстракции гуминовых кислот, проводились эксперименты с охлаждением ячейки и без охлаждения. Охлаждение осуществлялось с использованием аккумулятора холода, в качестве которого использовался насыщенный раствор ацетата натрия. Экстракция проводилась в течение 75 минут, при этом для определения эффективности экстракции через каждые 15 мин проводился отбор проб и измерение температуры.
Эффективность экстракции при
электромагнитном перемешивании сравнивались с экстракцией, осуществляемой при механическом перемешивании при сопоставимых значениях рН, температуре и продолжительности. Навеска торфа массой 1 г заливалась 100 мл 1 % раствором №ОИ и перемешивалась в течение 60 минут при 60 °С и при температуре 28 °С. Перемешивание осуществлялось на лабораторном встряхивателе Е1рш 357. Затем в полученных экстрактах определена концентрация гуминовых кислот указанным выше методом.
Результаты и обсуждение
На основе полученных экспериментальных данных построены графики зависимости концентрации ГК в экстракте от концентрации щелочи и продолжительности экстракции (рис. 2).
Рис. 2 - Зависимость концентрации гуминовых кислот в экстракте от продолжительности экстракции при концентрации
]ЧаОН: 0,25 т/л. 1 т/ж_ -ш- 2,0т/п ?
Температура - 57 °С
Из представленных на рис. 2 данных можно сделать вывод, что наибольшее содержание ГК в экстракте достигается при экстракции 1 % раствором ЫаОИ по истечении 60 минут. Дальнейшее увеличение продолжительности экстракции к увеличению концентрации гуминовых кислот при электромагнитном перемешивании не приводит.
При определении влияния температуры среды, в опыте без принудительного охлаждения при значениях величине тока 1,1 А и напряжении 10 В, в электрохимической ячейке наблюдалось повышение температуры среды до 57 °С, вызванное электрическим сопротивлением среды. При охлаждении температура в электрохимической ячейке составляла 31 °С. Взаимосвязь концентрации гуминовых кислот в экстракте от продолжительности экстракции и температуры при электрохимическом перемешивании представлена на рис. 3.
Из представленных данных видно, что с повышением температуры эффективность экстракции гуминовых кислот значительно возрастает. Максимальная концентрация гуминовых кислот в экстракте также достигается в течение 60 минут. При этом при температуре 57°С концентрация гуминовых кислот в экстракте составляет 34,41 г/л, при температуре 31°С - 25,83 г/л.
Для сравнения эффективности экстракции с использованием электромагнитного перемешивания суспензии торфа в электрохимической ячейке, проведен опыт по экстракции гуминовых кислот при механическом перемешивании в схожих условиях.
Продолжительность экстракции, мин Рис. 3 - Зависимость концентрации гуминовых кислот в экстракте от продолжительности экстракции при температуре:
Экстракция с охлаждением, 31 °С,
' Экстракция без охлаждения 57 °С. Концентрация №ОИ - 1 г/л
Экстракция гуминовых кислот при механическом перемешивании суспензии торфа при температуре 60 °С и концентрации щелочи 1 г/л, составила 35,78 г/л, при температуре 28°С - 26,7 г/л.
Полученные результаты по эффективности экстракции гуминовых кислот при электромагнитном перемешивании (57 °С - 34,41 г/л, 31 °С - 25,83 °С). сопоставимы с результатами полученными при использовании механического перемешивания. Однако, при экстракции гуминовых кислот из торфа при механическом перемешивании требуется расход электроэнергии на нагрев среды и привод перемешивающего устройства. Сравнение затраченной энергии для обоих способов экстракции показал, что для проведения экстракции с использованием электромагнитного перемешивания
200 мл суспензии торфа в электрохимической ячейке требуется - 110 Вт/ч, при этом для экстракции с механическим перемешиванием суспензии торфа того же объема затрачивается 316 Вт/ч.
Выводы
1. Оптимальной концентрацией ЫаОИ для экстракции гуминовых кислот из торфа является 1 г/л.
2. Повышение температуры до 60°С экстрагируемой среды повышает выход гуминовых кислот из торфа.
3. Эффективность экстракции при электромагнитном перемешивании в электрохимической ячейке сопоставима с экстракцией с механическим перемешиванием. При этом экстракция при электромагнитном перемешивании энергетически выгоднее.
Литература
1. В.Ф. Мадякин, М.В. Мадякина, И.Г. Ганеев, С.В. Сухова, Вестн. Казан. технол унив., 15, 24, 118-121 (2012).
2. С.В. Гаврилов, А.В. Канарский, Ю.Д. Сидоров, М.А Поливанов, Вестн. Казан. технол унив., 16, 18, 184-187 (2013).
3. Ж.К. Каирбеков, Ж.Т. Ешова, Д.Н. Акбаева, Вестник КазНУ, 68, 4, 79-83 (2012).
4. А.В. Портнова, В.В. Вольхи, Вестник Нижегородского ун-та им. Н.И. Лобачевского, 4, 71-75 (2008).
5. С.А. Эпштейн, Ю.А. Титорова, Горный информационно-аналитический бюллетень, 5, 307-311 (2012).
© С. В. Гаврилов - асп. - каф. ПИМП КНИТУ, [email protected]; Д. Д. Темершин - магистрант каф. ПИМП КНИТУ, Ю. Д. Сидоров - канд. техн. наук, ст. препод. каф. ПИМП КНИТУ [email protected]; А. В. Канарский - д-р техн. наук, проф. каф. ПИМП КНИТУ [email protected]
© S. V. Gavrilov - graduate student of Food Engineering in small enterprises, KNRTU, [email protected]; D.D. Temershyn - master Department of food engineering in small enterprises, Kazan National Research Technological University, [email protected]; Y. D. Sidorov - senior lecturer, Department of Food Engineering in small enterprises KNRTU, [email protected]; A. V. ^na^iy -doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Food Engineering in small enterprises KNRTU, [email protected].
