Область техники, к которой относится изобретение Данное изобретение относится к технике получения биогеля на ос- нове 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 час- тиц торфа.

Так, в патенте РФ jNb 2188628 (опубл. 10.09.2002) раскрыто космети- ческое средство на основе водного экстракта перемешиваемой торфяной грязи, а в патенте РФ N° 2256438 (опубл. 20.07.2005) грязевую пасту до- полнительно протирают через сито. При таком механическом измельчении получаются частицы порядка десятков или даже сотен микрометров.

В патентах РФ _NaNs 2228921 (опубл. 20.06.2004) и 2475038 (опубл. 20.02.2013) описаны способы получения биогеля из торфа, в которых ис- ходное сырьё перед измельчением обрабатывают щелочным раствором. Однако химическая обработка разрушает гуминовые вещества, исходно содержащиеся в торфе.

В заявке на патент РФ JYS 2006137086 (опубл. 27.04.2008) описаны способ гидратации биополимеров с помощью кавитации и гелеобразный продукт из гидратированной биомассы. Этот способ имеет весьма ограни- ченное применение, т.к. кавитации подвергают водный раствор солей.

В патенте РФ N_> 2279323 (опубл. 10.07.2006) измельчение осуществ- ляют с помощью ультразвуковой кавитации, а в патентах РФ Ν°Νο 2304460 (опубл. 20.08.2007), 2331478 (опубл. 20.08.2008) и 2446852 (опубл. 10.04.2010) ультразвуковую кавитацию проводят в присутствии статиче- ского давления в реакторной камере.

Общий недостаток всех известных способов получения биогеля со- стоит в том, что получаемый биогель имеет размер частиц порядка микро- метров, 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 сущест- вующих технических средств за счёт разработки такого способа получения биогеля, с помощью которого возможно получать биогель с наноразмер- ными частицами. Это позволяет обеспечить значительно более широкое применение такого биогеля.

Для решения поставленной задачи и достижения указанного техни- ческого результата в первом объекте настоящего изобретения предложен способ получения биогеля, представляющего собой водоторфяной гель с размерами частиц диспергированного торфа не более 40-60 нм, заклю- чающийся в том, что: загружают торф заранее заданной влажности в смеси с заданным объёмом воды в диспергационную камеру; герметизируют диспергационную камеру; подают в герметизированную диспергационную камеру заранее заданное статическое давление; обрабатывают содержимое диспергационной камеры ультразвуковыми колебаниями с плотностью оз- вучивания не менее 50 Вт/см , обеспечивающими в течение заранее задан- ного времени звуковое давление на смесь торфа с водой, превышающее статическое давление на заранее заданную величину.

Особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что звуковое давление может превышать статическое давление в 2-3 раза. Ещё одна особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что частоту ультразвуковых колебаний могут регулировать в диапа- зоне 15-30 кГц с одновременной регулировкой статического давления для надёжной диспергации частиц торфа до указанных размеров.

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

Ещё одна особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что торф может иметь влажность в пределах 60-80 %.

При этом в смеси торфа с водой соотношение торфа к воде может лежать в пределах от 1 : 1,5 до 1 :3,5.

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

Подробное описание изобретения

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

Торф представляет собой капиллярное вещество, которое трудно поддаётся диспергированию. При механическом измельчении торфа ми- нимально достижимый размер частиц составляет порядка 100 мкм. Попыт- ки механического дробления торфа на более мелкие частицы, например, посредством вибрационного или газоструйного устройства приводят к раз- мазыванию 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 её отклонения в любую сторону.

Способ по настоящему изобретению реализуется в устройствах, представляющих собой герметизируемую диспергационную камеру, в ко- торую загружается исходный материал (торф заданной влажности) в смеси с заданным объёмом воды, а затем насосом создаётся статическое давление заданной величины. После этого содержимое герметизированной диспер- гационной камеры подвергается воздействию ультразвука, источником ко- торого может быть как известный специалистам магнитострикционный преобразователь, расположенный, скажем, под днищем камеры, так и маг- нитоакустический генератор, в котором цилиндрическая стенка камеры вибрирует под действием наводимых в ней вихревых токов (см. патент РФ N° ... по заявке 2012129570). Любая из этих обработок вызывает образова- ние в торфо-водяной 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 пузырёк способен диспергировать твёр- дые частицы, размеры которых больше его собственного максимального размера. Таким образом, за счёт соответствующего выбора параметров в способе по настоящему изобретению обеспечивается измельчение торфя- ных частиц до величин порядка десятков нанометров.

Способ по настоящему изобретению осуществляется следующим об- разом. Торф заданной влажности смешивается с водой в пропорции от 1 : 1 ,5 до 1 :3,5. Полученная торфо-водяная смесь загружается в диспергаци- онную камеру, которая после загрузки герметизируется, а затем в неё на- сосом подаётся статическое давление порядка 5-7 атмосфер. Далее вклю- чается генератор, подключённый к ультразвуковому преобразователю, вы- дающему ультразвуковой сигнал с частотой порядка 15-20 кГц и с ампли- тудой, обеспечивающей звуковое давление в торфо-водяной смеси, при- мерно вдвое или втрое превышающее статическое давление в диспергаци- онной камере. Такая ультразвуковая обработка водоторфяной смеси про- изводится 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. Максималь- ный размер пузырька зависит от времени его роста, а, значит, от частоты озвучивания. Поэтому для более тонкой диспергации частиц торфа в сле- дующие 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 торфо-водяной смеси, тогда конечные размеры частиц торфа будут порядка 40-60 нм.

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

В том случае, когда рассмотренную ультразвуковую обработку про- водят с помощью магнитоакустического устройства, в котором ультразву- ковые колебания возбуждаются за счёт вибрации тонкой стенки дисперга- ционной камеры, площадь излучающей поверхности становится гораздо больше, чем при использовании магнитострикционного преобразователя. Поэтому значительно увеличивается эффективность процесса и сокраща- ется время диспергации единицы массы водонасыщенного торфа.

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

Данный биогель можно использовать не только в качестве лекарст- венного или косметического средства, но также в растениеводстве в каче- стве стимулятора роста растений, предпосевной обработки семян для сти- муляции их всхожести, а также как защиту семян от грибков, плесени и па- тогенных бактерий и для обеззараживания зерна злаковых культур после длительного хранения. В Приложении приведён отчёт ФГБОУ ВПО «Кур- ский государственный университет» от 27.02.2013, подтверждающий эф- фективность биогеля по настоящему изобретению. Таким образом, настоящее изобретение позволяет получать из тор- фо-водяной смеси биогель, в котором полезные вещества не теряют своей эффективности, т.к. способ по настоящему изобретению обеспечивает по- лучение диспергированных частиц торфа с размерами порядка 40-60 нм и не использует никакой химической или температурной обработки.