Виробництво барвників на основі торфу

Размещено на http://allbest.ru

Національний університет водного господарства та природокористування УДК 622.331.004.14:631

Виробництво барвників на основі торфу

Боднарюк Т.С., к.х.н., Гурин В.А. д.т.н., професор,

Боднарюк Ф.Н., к.х.н., ст. 5 курсу МЕФ Кулініч Т.М.

м. Рівне

Напрями використання торфу надзвичайно різноманітні [1]. Торф - це значний енергетичний і агрохімічний потенціал України, який використовується як комунально-побутове місцеве паливо, як сировина для виробництва парникових та поживних ґрунтів та інших видів продукції.

Успішне використання торфу як комунально-побутового палива спрямоване на заміну дорогих видів палива дешевшими та задоволення значною мірою потреб населення і об'єктів малої енергетики в твердому паливі в регіонах України зі значними запасами торфу. Торфові палива є найдешевшими і ефективними при перевезеннях на невеликі відстані [2]. Понад 80 % торфу використовують як паливо, в той час як у світі більше 80 % торфу використовують у сільському господарстві як джерело гумусу. Крім традиційних напрямів використання торфу останнім часом поширюється впровадження безвідходних технологічних процесів комплексної переробки торфу для одержання нових матеріалів із заданими властивостями.

В Україні 96 % всіх запасів торфу становить торф низинного типу, багатий на гумінові речовини (ГР), придатний для виробництва різних видів продукції на їх основі (рис. 1). Одним із них є виробництво торфового барвника для фарбування деревини. деревину фарбують з метою виявлення текстури, посилення природного забарвлення та імітації малоцінних порід під цінні. Для фарбування деревини найчастіше застосовують синтетичні водорозчинні барвники, що пояснюється їх дешевизною, простотою застосування та можливістю одержання достатньо міцних забарвлень будь-яких відтінків та чистих тонів. саме до таких барвників належить торфовий.

При застосуванні композицій на основі водорозчинних барвників піднімається ворс на поверхні деревини, що потребує повторного її шліфування. Від інших водорозчинних торфовий барвник відрізняється незначним підняттям ворсу.

Рис.1. Схема можливих виробництв на основі ГР торфу

Барвники оцінюють за розчинністю, імітацією кольору горіхового та червоного дерева, світлостійкістю, за відсутністю схильності до міграції в лакові покриття, глибоким проникненням у деревину, здатністю утворювати суміші з іншими барвниками, простоті виготовлення, невисокою собівартістю та допустимим ступенем токсичності. Для фарбування деревини широко застосовуються синтетичні анілінові барвники, які належать до середньотоксичних, важко змиваються з рук і мають невисоку світлостійкість, через що їх виробництво різко скоротилось і необхідна розробка нових. У 70-х девятнадцятого століття роках у ЧССР був побудований завод з виробництва тонаксилів - гумінових протрав для деревини на основі гумінових речовин бурого вугілля, які за ціною близькі до анілінових: за даними 1985 р ціна однієї тони тонаксилу або анілінового барвника становила 2,8 ч 4,4 тис. руб. при лімітній ціні на торфовий барвник 1 тис. руб.

Торф як сировина для виробництва гумінового барвника відрізняється високим вмістом гумінових речовин (52 ч 62 % на суху речовину проти 33 - 46 % для бурого вугілля) [3] та порівняно низькою собівартістю. В перерахунку на органічну речовину собівартість торфу в 4 - 5 разів менша за собівартість вугілля з високим вмістом гумінових речовин [4]. За даними [5] ГР з бурого вугілля мають підвищену канцерогенну активність, в той час як ГР торфу мають протипухлинну дію [6].

Широкі виробничі випробування торфового барвника (ТБ) показали, що він належить до горіхово-коричневої гами кольорів, профарбовує пори та виявляє текстуру, світлостійкий, не мігрує в обробні матеріали, зручний у застосуванні, малотоксичний, а його застосування не вимагає змін у технологічному режимі виготовлення меблів.

Спосіб виготовлення торфового барвника з достатньо високою фарбуючою здатністю розроблений в Інституті торфу АН БРСР у 1985 р.

Запропонована технологія не потребує застосування дефіцитних реактивів і може бути здійснена із застосуванням стандартного, серійного хімічного обладнання.

Розроблені умови ведення процесу - підібрані температура, тривалість, концентрація вибраних реагентів, а також технологія виготовлення торфового барвника, яка включає підготовку сировини, обробку торфу лужними розчинами, відділення 5 - 6 %-ного розчину торфового барвника від одержаної суспензії на центрифузі. При перевезеннях ТБ на значну відстань передбачене його сушіння до порошкоподібного стану [7].

Порівняння торфового барвника з тонаксилами та аніліновими барвниками, проведене за ТУ 6-14-100-75 „Красители органические для древесины (водорастворимые)” показало, що за фізико-хімічними показниками торфовий барвник не поступається існуючим водорозчинним барвникам. При нанесенні методом розпилення витрачається 5 - 6 г барвника на 1 м². За кольором торфовий барвник наближається до кольору анілінових № 7, 12, 16. За інтенсивністю забарвлення 5 % розчин торфового барвника відповідає 3 % аніліновим розчинам. Торфовий барвник може використовуватись як самостійно, так і у композиції з водорозчинними аніліновими барвниками та тонаксилами. Відсутність токсичності та низька вартість торфового барвника дозволили білоруським ученим рекомендувати організацію його виробництва для забезпечення підприємств меблевої промисловості [4].

Виробництво торфового барвника для деревини на основі гумінових речовин торфу впроваджене на торфовому підприємстві „Місковське” ВО Костроматорф, де працює цех потужністю 460 т торфового барвника на рік. Вихід сухого барвника з однієї тони сухого торфу становить приблизно 350 кг [7]. твердий залишок після відділення розчину барвника, який становить 55 ч 65 % від вихідного торфу, містить до 3,0 ч 3,8 % нітрогену та 25 - 30 % біологічно активних речовин на суху речовину (с.р.), що дозволяє використовувати відходи виробництва як органічні добрива, ефективніші за мінеральні, або як зв'язуючий компонент гранульованих висококонцентрованих органо-мінеральних добрив. Ефективне використання відходів робить виробництво торфових барвників безвідходним та екологобезпечним [3].

Як сировина для гумінових барвників досліджені різні типи та види торфу. Дослідження [3] показали, що від типу торфу залежать як вміст, так і склад ГР. Найвищий вміст ГР - до 67 % на органічну речовину (ОР) - у пухівковому торфі верхового типу, дещо нижчий в низинному та перехідному (відповідно 46 та 58 % на ОР).

Як видно з табл. 1, наведеної авторами [8], оптимальною сировиною для виробництв на основі ГР є торф зі ступенем розкладу R > 25 %, зольністю A ? 10 %, вмістом гумінових речовин - не менше 30 % на органічну масу.

Таким вимогам відповідає торф низинного типу: деревний, деревно-осоковий, осоковий; перехідного - деревно-сфагновий, осоково-сфагновий та верхового типу - пухівко-сфагновий торф та торф мохової групи. Для них кількість вилучених ГР теоретично знаходиться в межах 180 - 247 кг/т.

Таблиця 1

Властивості торфу та вихід гумінових речовин

* Очевидно, що цей вихід ГР розрахований на суху речовину торфу, а не при умовній вологості торфу, тим більше, що остання взагалі не вказана.

Вилучення ГР з торфу полягає в обробці торфу лужними реагентами. Повнота вилучення ГР з торфу зменшується з підвищенням ступеня насичення його катіонами полівалентних металів.

Так, у низинному торфі вміст ГР достатньо високий, але через його високу насиченість катіонами металів вихід ГР з нього знаходиться на тому ж рівні, що і з верхового мохового торфу (R ? 15 %), в якому вміст ГР значно нижчий (табл. 1).

Повнота вилучення ГР з торфу не перевищує для верхових торфів 91,7 %, а для низинних - 71,3 %, і вона тим менша, чим вищий вміст полівалентних катіонів.

Найкращі результати були одержані при використанні торфу верхового типу (сосново-пухівкового, пухівкового, пухівково-сфагнового), які відрізняються високим вмістом гумінових речовин при низькій зольності. Важкодоступність такої сировини ускладнює виробництво ТБ.

З іншого боку, висока зольність низинних торфів не дозволяє повністю вилучити з них гумінові речовини, що зумовлює низький вихід з них барвника. Показано [3], що ГР різних торфів відрізняються за своїм складом та будовою, а саме вмістом та характеристикою периферичної та ядерної частини макромолекул ГР. Якщо в ГР низинного торфу переважає периферична частина з амідовуглеводних ланцюгів, то в ГР верхового торфу більший вміст ароматичної конденсованої частини.

Ця різниця в будові зумовлює різні напрями їх використання: низинний торф є кращою сировиною для виробництва біологічно активних речовин, верховий - для виробництва барвників.

Проте автори [9] розробили такі умови технологічного процесу, які дозволили підвищити вихід барвника з торфів низинного типу до 46 ч 57 % на с.р. (табл. 2) і, таким чином, розширити сировинну базу для виробництва ТБ.

Таблиця 2

Результати досліджень приготування торфового барвника [9]

*Очевидно, автори мали на увазі кількість реагента. ** Із тексту [9] очевидно, що це - вихід барвника в % на с.р. торфу. *** Очевидно, автори мали на увазі фарбуючу здатність ТБ.

Таким чином, простота виробництва, якість торфового барвника за всіма показниками, зручність застосування, безвідходна технологія зумовлює доцільність проведення досліджень з виробництва торфових барвників на базі торфів України.

Лабораторні дослідження почали проводити на кафедрі „Розробка родовищ корисних копалин ” НУВГП з ініціативи проф. Гурина В.А.

Першим завданням було підібрати сировинну торфову базу на території України, яка б найкраще відповідала вимогам до торфу як сировини для виробництва торфового барвника, наступним - оптимізувати процес виготовлення барвників з торфу.

Відомо, що вміст ГР залежить від типу, виду, ступеня розкладу торфу, вмісту золи та суми поглинених катіонів (табл.1). Орієнтуючись на цю інформацію, нами був досліджений торф із чотирьох торфових родовищ України (табл. 3).

Таблиця 3

Результати досліджень з виготовлення торфового барвника

Методика проведення дослідів полягала в обробці торфу 1 % водним розчином аміаку (на 1 мас. ч. торфу 10 мас. ч. розчину) при температурі 130 ^оС протягом 1 - 2 год із наступним відділенням розчину амонізованих гумінових речовин (АГР) - торфового барвника на центрифузі. При такій обробці торфу спостерігається низький вихід барвника та його недостатня фарбуюча здатність.

З метою підвищення виходу та фарбуючої здатності барвника торф попередньо обробляли при інтенсивному перемішуванні натрій карбонатом. В природному торфі гумінові речовини знаходяться в стані просторових структур. Для руйнування цих структур і переведення гумінових речовин у розчинний стан торф обробляють лужними розчинами. При обробці торфу розчином аміаку ці структури руйнуються частково, і тому вихід гумінових речовин низький. Руйнування просторових структур гумінових речовин з утворенням йонізованих макромолекул гумінових речовин відбувається повніше при попередній обробці торфу розчинами карбонатів та гідроксидів лужних металів, що значно підвищує вихід гумінових речовин з торфу, а наступна обробка розчином аміаку призводить до покращення фарбуючої здатності торфового барвника.

Результати лабораторних досліджень наведені в табл. 3. Досліди №№1-7 проведені з попередньою обробкою торфу натрій карбонатом у кількості 10% на суху р. торфу; № 8 - 5 %; № 9 - без попередньої обробки.

Як видно з табл. 3, виходи торфового барвника досить низькі, що можна пояснити кількома причинами: ще не вибрана оптимальна сировинна база; процес проводився не в оптимальних умовах; властивості гумінових речовин зумовлюють низький коефіцієнт їх вилучення з торфу в розчин (для низинного торфу він не перевищує 71,3 %); недостатньою ефективністю використаної центрифуги - коефіцієнт відділення розчину барвника (фугату) від залишку торфу дуже низький і не перевищує 35 - 59 %. У роботі [11] показано, що розділення лужної торфової суспензії при факторі розділення біля 800 забезпечує вихід фугату лише до 47 % при вологості залишку 84 %. При збільшенні тривалості досліду від 1 до 2 год вихід барвника підвищується майже удвічі - з 6,2 до 11,9 % (досліди 5 та 7).

За вибраних умов (табл. 3) із пухівково-сфагнового торфу, який має низький ступінь розкладу (10-15 %), одержано дуже розведений розчин (с = 1,02 %) та низький вихід амонізованих гумінових речовин (2,2 % на суху речовину торфу). З осоково-очеретяного торфу (ступінь розкладу 30 %) - значно вищі вихід (7,86 %) та концентрація барвника (1,56 %). З пухівково-сфагнового торфу зі ступенем розкладу R ? 30 % при порівняно хорошому виході (12,1 %) одержані розчини амонізованих гумінових речовин значно вищої концентрації (2,43 %). Це очевидно можна пояснити меншою зольністю торфу (A ? 4 % проти A ? 6,4 % для осоково-очеретяного). З деревно-осокового торфу вихід торфового барвника приблизно такий самий (до 12 %,), як із попереднього, хоча ступінь розкладу деревно-очеретяного торфу значно вищий (35 - 40 % проти 30 % пухівково-сфагнового), що також можна пояснити вищою зольністю деревно-осокового торфу. Найнижча концентрація амонізованих гумінових речовин (1,2 %) (за однакових інших умов) одержана в досліді 9 без соди. Це пояснюється тим, що при обробці торфу гідроксидами або карбонатами лужних металів просторові структури ГР руйнуються майже повністю до макромолекул, які переходять у розчин і з водним розчином аміаку утворюють амонізовані гумінові речовини. При обробці ж торфу тільки розчином аміаку просторові структури ГР руйнуються лише частково, тому вихід АГР значно нижчий.

Найбільш концентрований розчин амонізованих гумінових речовин (2,6 %) одержаний з деревно-осокового торфу у присутності 5ч10 % кальцинованої соди на с.р. торфу.

За найкращими одержаними результатами з торфу з торфових родовищ Морочне та Сойне вихід барвника при досить низькій його концентрації 2,6 % не перевищує 120 кг на тону сухого торфу. Таким чином, пошук сировинної бази необхідно продовжити.

На вихід барвника та його концентрацію впливають застосовані реагенти та їх концентрації, температура та тривалість досліду, а також початкова вологість торфу та його механічна обробка перед дослідом [10], тому після вибору найкращої сировини необхідна оптимізація умов виготовлення торфового барвника.

Таким чином, результати попередніх дослідів показали доцільність продовження досліджень щодо виробництва барвників на основі торфів України. барвник торф родовище безвідходний

Бібліографія

1. Боднарюк Т.С., Боднарюк Ф.М., Козяр В.О. Аналіз закономірностей розташування та формування властивостей торфових родовищ Західного Полісся залежно від геолого-геоморфологічних умов. //Вісник НУВГП,.- Рівне, 2006. - вип. 2 (34), ч. 2. - С. 21 - 29.

2. Гнєушев В.О., Гордіченко В.П., Боднарюк Т.С. Торфові ресурси регіону і шляхи їх використання. //Енергозбереження Полісся. - Рівне, 2001. - №1. С. 5 - 9.

3. Гаврильчик А.П. Превращения торфа при добыче и переработке. - Мн.: Навука і техніка, 1992. - 199 с.

4. Торфяной краситель для мебельной промышленности. /И.И. Лиштван, С.С. Маль, С.С., Поваркова и др. //Торфяная промышленность. - 1982.- №9. - С. 20 - 21.

5. Майко Н.И., Барштейн Ю.Л., Гаврик И.И., Гордиенко С.Л. Канцерогенные свойства гуминовых кислот. //Тез. Докл. зональной науч.-техн. конф. Тюмень, - 1981.- С.78.

6. Наумова Г.В. Торф и биотехнология. Мн.: 1987.

7. Гаврильчик А.П. Регулирование свойств торфа и новые технологии его хранения и переработки.: Автореф. дис.доктора техн..наук: Д 006.17.01.- Мн.: Ин-т. торфа АНБССР, 1987. - 45 с.

8. Александров Б.М., Студенок А.Г. Выбор торфяного сырья для производства гуминовых препаратов. //Торфяная промышленность. - 1989. - №6. - С. 24 - 26.

9. А.С. 1080451 (СССР). Способ получения гуминового красителя для древесины. /И.И.Лиштван, С.С. Маль и др. - С грифом„ Не подлеж.опубл.в откр.печати”.

10. А.С. 1519223 (СССР). Способ получения гуминового красителя для древесины.

11. Разделение щелочной суспензии торфа на промышленных центрифугах. /Маль С.С, Гаврильчик АП. Лагацкий И.В и др.. //Торфяная промышленность. - 1985. - №6. - С. 21 - 22.

Анотація

УДК 622.331.004.14:631

Виробництво барвників на основі торфу. Боднарюк Т.С., к.х.н., Гурин В.А. д.т.н., професор, Боднарюк Ф.Н., к.х.н., ст. 5 курсу МЕФ Кулініч Т. М. Національний університет водного господарства та природокористування, м. Рівне

Розглянуто проблеми виробництва торфового барвника для деревини, зважаючи на високу якість торфового барвника та наявність в Україні значних запасів торфів, що відповідають вимогам до сировини для його виробництва.

Annotation

The problems of the production of peat dye for the wood are examined, since the peat dye has high qualities and in the Ukraine there are significant reserves of peat, which correspond to requirements for the raw material for the production of this dye.

Размещено на Allbest.ru