Способ получения биогеля и биогель - RU2533235C1

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к технике получения биогеля на основе торфа, каковой биогель имеет самое широкое применение.

Уровень техники

В настоящее время известны различные способы получения биогеля, в том числе из торфа. Все эти способы включают в себя измельчение частиц торфа.

Так, в патенте РФ №2188628 (опубл. 10.09.2002) раскрыто косметическое средство на основе водного экстракта перемешиваемой торфяной грязи, а в патенте РФ №2256438 (опубл. 20.07.2005) грязевую пасту дополнительно протирают через сито. При таком механическом измельчении получаются частицы порядка десятков или даже сотен микрометров.

В патентах РФ №2228921 (опубл. 20.06.2004) и 2475038 (опубл. 20.02.2013) описаны способы получения биогеля из торфа, в которых исходное сырье перед измельчением обрабатывают щелочным раствором. Однако химическая обработка разрушает гуминовые вещества, исходно содержащиеся в торфе.

В заявке на патент РФ №2006137086 (опубл. 27.04.2008) описаны способ гидратации биополимеров с помощью кавитации и гелеобразный продукт из гидратированной биомассы. Этот способ имеет весьма ограниченное применение, т.к. кавитации подвергают водный раствор солей.

В патенте РФ №2279323 (опубл. 10.07.2006) измельчение осуществляют с помощью ультразвуковой кавитации, а в патентах РФ №2304460 (опубл. 20.08.2007), 2331478 (опубл. 20.08.2008) и 2446852 (опубл. 10.04.2010) ультразвуковую кавитацию проводят в присутствии статического давления в реакторной камере.

Общий недостаток всех известных способов получения биогеля состоит в том, что получаемый биогель имеет размер частиц порядка микрометров, вследствие чего применение такого биогеля весьма ограниченно, т.к. чем меньше размеры частиц биогеля, тем выше его эффективность в качестве лекарственного и (или) косметического средства.

Раскрытие изобретения

Задачей данного изобретения является расширение арсенала существующих технических средств за счет разработки такого способа получения биогеля, с помощью которого возможно получать биогель с наноразмерными частицами. Это позволяет обеспечить значительно более широкое применение такого биогеля.

Для решения поставленной задачи и достижения указанного технического результата в первом объекте настоящего изобретения предложен способ получения биогеля, представляющего собой водоторфяной гель с размерами частиц диспергированного торфа не более 40-60 нм, заключающийся в том, что: загружают торф влажностью 60-80% в смеси с водой при соотношении торфа к воде в пределах от 1:1,5 до 1:3,5; герметизируют диспергационную камеру; подают в герметизированную диспергационную камеру статическое давление 5-7 атм; обрабатывают содержимое диспергационной камеры ультразвуковыми колебаниями с плотностью озвучивания не менее 50 Вт/см², обеспечивающими в течение заранее заданного времени звуковое давление на упомянутую смесь торфа с водой, превышающее статическое давление в 2-3 раза.

Особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что частоту ультразвуковых колебаний могут регулировать в диапазоне 15-30 кГц с одновременной регулировкой статического давления для надежной диспергации частиц торфа до указанных размеров.

При этом регулировку частоты ультразвуковых колебаний могут осуществлять в режиме: начальное воздействие в диапазоне 15-20 кГц в течение 4-6 минут и конечное воздействие в диапазоне 20-30 кГц в течение 4-6 минут.

Во втором объекте настоящего изобретения предложен биогель, представляющий собой водоторфяной гель с размерами частиц диспергированного торфа 40-60 нм, полученный способом по первому объекту настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Прежде чем описывать предложенный способ, следует подробнее остановиться на том исходном материале, который в данном способе используется для получения биогеля.

Торф представляет собой капиллярное вещество, которое трудно поддается диспергированию. При механическом измельчении торфа минимально достижимый размер частиц составляет порядка 100 мкм. Попытки механического дробления торфа на более мелкие частицы, например, посредством вибрационного или газоструйного устройства приводят к размазыванию торфа по поверхности такого механического устройства.

Как правило, торф имеет некоторую влажность. Для использования в способе по настоящему изобретению влажность торфа может находиться в пределах от 60 до 80%, хотя вполне допустимы ее отклонения в любую сторону.

Способ по настоящему изобретению реализуется в устройствах, представляющих собой герметизируемую диспергационную камеру, в которую загружается исходный материал (торф заданной влажности) в смеси с заданным объемом воды, а затем насосом создается статическое давление заданной величины. После этого содержимое герметизированной диспергационной камеры подвергается воздействию ультразвука, источником которого может быть как известный специалистам магнитострикционный преобразователь, расположенный, скажем, под днищем камеры, так и магнитоакустический генератор, в котором цилиндрическая стенка камеры вибрирует под действием наводимых в ней вихревых токов (см. патент РФ №2490317). Любая из этих обработок вызывает образование в торфоводяной смеси кавитационных пузырьков с их последующим схлопыванием. Известно (см. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П. Голямина. - М.: Советская энциклопедия, 1979. - 400 с.), что схлопывающийся кавитационный пузырек способен диспергировать твердые частицы, размеры которых больше его собственного максимального размера. Таким образом, за счет соответствующего выбора параметров в способе по настоящему изобретению обеспечивается измельчение торфяных частиц до величин порядка десятков нанометров.

Способ по настоящему изобретению осуществляется следующим образом. Торф заданной влажности смешивается с водой в пропорции от 1:1,5 до 1:3,5. Полученная торфоводяная смесь загружается в диспергационную камеру, которая после загрузки герметизируется, а затем в нее насосом подается статическое давление порядка 5-7 атмосфер. Далее включается генератор, подключенный к ультразвуковому преобразователю, выдающему ультразвуковой сигнал с частотой порядка 15-20 кГц и с амплитудой, обеспечивающей звуковое давление в торфоводяной смеси, примерно вдвое или втрое превышающее статическое давление в диспергационной камере. Такая ультразвуковая обработка водоторфяной смеси производится в течение примерно 4-6 минут.

Поскольку в процессе кавитации, происходящей в диспергационной камере, размеры торфяных частиц уменьшаются, соответственно следует уменьшать и размер возникающих кавитационных пузырьков. Максимальный размер пузырька зависит от времени его роста, а значит, от частоты озвучивания. Поэтому для более тонкой диспергации частиц торфа в следующие 4-6 минут обработку можно проводить на более высокой частоте (20-30 кГц). В принципе, частоту ультразвука можно плавно увеличивать в течение всей обработки загруженной порции торфоводяной смеси, тогда конечные размеры частиц торфа будут порядка 40-60 нм.

Нужно только иметь в виду, что уменьшение времени роста кавитационного пузырька понижает кинетическую энергию возникающих при его коллапсе потоков жидкости, разрушающих частицы торфа. Поэтому для поддержания динамики диспергации статическое давление в диспергационной камере следует повысить до 7-10 атмосфер при повышении частоты ультразвуковых колебаний.

В том случае, когда рассмотренную ультразвуковую обработку проводят с помощью магнитоакустического устройства, в котором ультразвуковые колебания возбуждаются за счет вибрации тонкой стенки диспергационной камеры, площадь излучающей поверхности становится гораздо больше, чем при использовании магнитострикционного преобразователя. Поэтому значительно увеличивается эффективность процесса и сокращается время диспергации единицы массы водонасыщенного торфа.

В результате указанной обработки в диспергационной камере образуется биогель, свойства которого определяются содержанием гуминовых кислот и фульвокислот, т.е. растворимых в воде гумусовых кислот. Это высокомолекулярные органические вещества, размер молекул которых колеблется от 35 до 45 нм. Поскольку в способе по настоящему изобретению частицы торфа измельчаются до 40-60 нм в отсутствие химической, а также термической обработки, гуминовые и фульвокислоты практически не разрушаются и в полном объеме проявляют свою активность в получаемом биогеле.

Данный биогель можно использовать не только в качестве лекарственного или косметического средства, но также в растениеводстве в качестве стимулятора роста растений, предпосевной обработки семян для стимуляции их всхожести, а также как защиту семян от грибков, плесени и патогенных бактерий и для обеззараживания зерна злаковых культур после длительного хранения. В Приложении приведен отчет ФГБОУ ВПО «Курский государственный университет» от 27.02.2013, подтверждающий эффективность биогеля по настоящему изобретению.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет получать из торфоводяной смеси биогель, в котором полезные вещества не теряют своей эффективности, т.к. способ по настоящему изобретению обеспечивает получение диспергированных частиц торфа с размерами порядка 40-60 нм и не использует никакой химической или температурной обработки.

Реферат

Изобретение относится к способу получения биогеля, представляющего собой водоторфяной гель с размерами частиц диспергированного торфа не более 40-60 нм. Указанный способ заключается в том, что торф в смеси с водой загружают в диспергационную камеру, затем диспергационную камеру герметизируют, подают в нее статическое давление в 5-7 атм и обрабатывают содержимое камеры ультразвуковыми колебаниями с плотностью озвучивания не менее 50 Вт/см, обеспечивающими в течение заранее заданного времени звуковое давление на смесь торфа с водой, превышающее статическое давление в 2-3 раза. Также изобретение относится к биогелю, полученному указанным способом. Заявленное изобретение обеспечивает получение водоторфяного биогеля с наноразмерными частицами, в котором полезные вещества не теряют своей эффективности. 2 н. и 2 з.п. ф-лы.

Формула