Карьеры, оставшиеся после добычи торфа, подлежат затоплению и постепенно зарастают. Фото Н. Старикова.

Торфяное гранулированное топливо служит хорошим сырьем для газификации.

Материалы для сорбции нефтепродуктов на основе торфа.

Схема получения пустотелого заполнителя для бетонов на основе торфа и глинистого сырья. <...>

Так выглядит пустотелый заполнитель для легких бетонов на основе торфа и глины.

Легкие бетоны, изготовленные на основе пустотелого заполнителя, в разрезе.

Модель гидрофобной органоминеральной смеси: А — до активации; Б — после проведения активации.

После модифицирования торфяными добавками сухой цемент приобретает водоотталкивающие свойства. Капля воды на его поверхности ведет себя подобно капле ртути: не растекается и не проникает внутрь слоя.

Капли воды на поверхности образца, сформованного на основе гидрофобизованного портландцемента.

Болота занимают значительные площади в нашей стране, а продукт их жизнедеятельности — торф — с давних времен использовался в хозяйстве. К сожалению, сейчас о торфе мы вспоминаем в основном тогда, когда начинаем задыхаться от дыма горящих торфяников. И сразу заговариваем о том, что надо запретить разработку торфяных болот, а осушенные месторождения — затопить. Но пожары чаще всего возникают не на действующих торфяных предприятиях, где организована система противопожарного водоснабжения и есть специальная техника, а на заброшенных торфяных разработках. По правилам такие участки следует рекультивировать, искусственно заболачивать, но в последние 10—15 лет добыча торфа в нашей стране резко сокращалась, а производственные площади просто забрасывались.

Стоит ли заниматься осушением и разработкой крупных торфяных массивов? Однозначно ответить на этот вопрос очень трудно. Осушение больших обводненных площадей снижает уровень стояния грунтовых вод, нарушает режим водного питания соседних территорий, влияет на микроклимат. Болота активно поглощают углекислый газ (по оценкам ученых, эффективнее, чем лесные массивы). Но в то же время они выделяют метан (приблизительно от 4 до 16 г/м ² за летний сезон), “парниковый” эффект которого примерно в 20 раз выше, чем у углекислого газа. Осушение и разработка торфяных месторождений предотвращают поступление метана в атмосферу, а при искусственном заболачивании выработанного торфяника связывается в 3—4 раза большее количество углекислого газа, чем в естественном болотном массиве. Кстати, динамично развивающийся торфяно-болотный фитоценоз довольно агрессивен: по сути дела, болото поглощает близлежащие лесные угодья.

Торф образуется из не полностью разложившихся остатков болотных растений на сильно увлажненных территориях. Процесс разложения не может пройти полностью из-за недостатка кислорода, свободному доступу которого препятствует вода. Но самое главное, что многие болотные растения (преимущественно сфагновые мхи) подавляют течение микробиологических процессов в пласте торфа. Они имеют в своем составе антисептические вещества, в основном фенолы, которые действуют на окружающее пространство не только в период жизни растений, но и после их отмирания. Фенолы тормозят реакции окисления и хорошо известны как антисептики. Сфагновый мох, содержащий фенольное соединение сфагнол, с давних времен применяют в медицине и ветеринарии как перевязочный материал с бактерицид ным действием. При растворении в болотных водах фенолы создают антибактериальную среду. Консервирующее действие болотной воды было известно еще в Средние века. В истории сохранились рассказы о мореплавателях, которые, отправляясь в дальние путешествия, брали с собой эту не загнивающую воду и добавляли ее в обычную воду для питья. Целебные торфяные грязи используют при лечении кожных заболеваний и в косметике.

Воды, питающие болота, различаются по степени минерализации — это и бедные минеральными солями атмосферные осадки, и богатые ими грунтовые и речные воды. От условий минерального питания и рельефа зависит болотная растительность. Растения верховых болот — сосна, пушица, сфагновые мхи, вересковые кустарники, морошка, шейхцерия — не требуют богатого питания. Растения болот низинного типа — береза, ольха, осока, зеленые мхи — нуждаются в большом количестве минеральных солей. В зависимости от того, из каких растений образовался торф, он подразделяется на три типа: верховой, низинный и переходный. В состав органического вещества торфа входят различные группы химических соединений: водорастворимые и легкогидролизуемые компоненты, гуминовые и фульвовые кислоты, битумы, целлюлоза, лигнин. Химический состав минеральной части в основном представлен кремнием, кальцием, железом и алюминием. Кроме них в торфяной золе содержится целый ряд ценных микроэлементов: ванадий, никель, кобальт, медь, марганец, барий, титан.

Тип торфа и его химический состав во многом предопределяют использование его в хозяйственной деятельности. Например, верховой торф со степенью разложения менее 20% с успехом можно применять для приготовления кормовых дрожжей для животных, щавелевой кислоты, этилового спирта, сорбционных материалов и других продуктов, а вот использование его в качестве сырья для энергетики малоэффективно из-за низкой теплотворной способности. Из сильно разложившегося торфа низинного типа получается довольно калорийное коммунально-бытовое топливо. В целом на основе торфа можно получать более ста видов продукции, которая используется как в личном хозяйстве, так и на крупных промышленных предприятиях. Фактически термин “торф” подразумевает качественно и количественно разные по своему химическому составу природные ресурсы, которые объединяет лишь место рождения — болото!

Традицион но основными потребителями торфа были крупные электростанции и предприятия коммунально-бытового сектора. Кроме того, многие промышленные предприятия работали на горючем газе, получаемом при высокотемпературном термолизе торфа. Однако после открытия крупных месторождений природного газа в Западной Сибири большая энергетика перешла на этот более эффективный вид топлива. Некоторые уникальные технологии газификации остались разве что только в специальной литературе. А ведь их можно с успехом применять для переработки в горючий газ не только природных биогенных ресурсов, но и различных органических отходов, в том числе и бытовых. Справедливости ради нужно отметить, что это направление в настоящее время развивается довольно динамично. По мнению многих ученых, горючий газ, получаемый из торфа, не исчерпал себя и как энергетический ресурс.

Основная проблема, сдерживающая применение горючего газа из биогенного сырья, — его сравнительно низкая теплотворная способность (приблизительно в 4—4,5 раза меньше чем у метана). Попробуем разобраться, с чем это связано. Дело в том, что газ, получаемый при термическом разложении торфа, состоит в основном из водорода H₂ (теплота сгорания Q = 10,8 МДж/м ³), окиси углерода CO (Q = 12,6 МДж/м  ³), метана CH₄ (Q = 39,7 МДж/м ³) и смеси других углеводородов. Но в условиях обычной газификации (нормальное давление, температура около 1000°С, паровоздушное дутье) доля метана и других углеводородов очень мала. Она составляет не более 0,5% от общего объема газов. Для увеличения их содержания необходимо значительно повышать температуру в зоне образования газа, что существенно увеличивает энергоемкость процесса и ведет к усложнению газогенераторных установок. Кроме того, при высокой температуре происходит плавление торфяной золы, которая превращается в стекловидную массу и выводит из строя технологическое оборудование.

В Тверском государственном техническом университете (ТГТУ) разработан новый метод низкотемпературной газификации торфа и органических отходов, который позволяет существенно увеличить долю углеводородов в горючем газе и, следовательно, повысить его теплотворную способность. В основе этого метода — применение в процессе газификации различных каталитических систем. Причем благодаря использованию дешевых природных катализаторов себестоимость процесса увеличивается лишь незначительно. Выделяющиеся на начальных этапах термического разложения торфа жидкие и газообразные продукты не сжигаются, как в традиционно применяемых технологиях, а используются для получения более сложных химических соединений (этан, пропан, бутан, этилен и т. п.). Такие соединения имеют, как известно, значительно более высокую теплотворную способность. Их можно использовать в энергетике, а также направлять на дальнейшую переработку. Торф как источник тепловой и электрической энергии существенно меньше загрязняет атмосферу выбросами серы, фосфора, тяжелых металлов и других веществ по сравнению с углем и особенно мазутом.

*

Одна из самых серьезных проблем земель нечерноземной зоны Российской Федерации — снижение плодородия и деградация почв из-за потерь органического вещества. И пока нет достойной альтернативы торфу для крупномасштабного улучшения агротехнических свойств почв. Даже в сравнительно благополучные 80-е и в начале 90-х годов XX века потребность сельскохозяйственных земель в органических удобрениях была удовлетворена только наполовину. Сейчас положение еще более усугубилось. На сельскохозяйственных предприятиях нечерноземной зоны Российской Федерации внесение органических удобрений составляет, по различным оценкам, примерно 3,6—4,0 тонны на гектар пашни в год (30—35% от научно обоснованной нормы). Во многих регионах нашей страны резко снизилось содержани е гумуса, основного фактора плодородия почв.

По мнению специалистов, органические торфяные удобрения регулируют баланс гумуса и состояние почвенного биоценоза, улучшают физические и химические свойства почвы, повышают эффективность действия минеральных удобрений. Для тех, кто занимается сельским хозяйством, торф представляет особую ценность как источник органического вещества в почве. В торфе низинного типа содержится от 1,5 до 3% азота на сухое вещество, а в верховом несколько ниже — 0,7—1,5%. Непосвященному человеку может показаться, что торф — готовое азотное удобрение. Однако это не совсем так. Дело в том, что основная масса азота торфа находится в труднодоступной форме, в составе гуминовых веществ. Академик Д. Н. Прянишников называл торф “азотной рудой”, подчеркивая тем самым малую доступность его для питания растений. Содержание доступных для растений минеральных форм азота (аммиачная и нитратная) в низинном торфе составляет всего 1—3%, а в верховом — 4—14% от общего количества азота. Есть еще и частично доступные формы этого элемента питания, которые составляют от 35 до 45%. Таким образом, увеличение “подвижности” азота — одна из основных проблем при использовании торфа на удобрения.

Существует несколько способов решения этой задачи, как совсем простых, так и более сложных. Основные методы активизации азота торфа — обработка аммиачной водой (или безводным аммиаком) и компостирование. Первый из них достаточно сложен и небезопасен для здоровья людей. Здесь требуются весьма токсичные химические соединения, специальная техника и средства индивидуальной защиты. При обработке аммиаком происходит так называемая аммонизация торфа. При этом уменьшается кислотность, разлагаются полисахариды. Гуминовые вещества под влиянием аммиака превращаются в растворимые соединения — гуматы аммония, вследствие чего азот становится более доступен для растений. Вместе с тем аммиак активизирует гуминовый комплекс торфа, придавая ему свойства стимулятора роста растений. Такой метод активизации азота и повышения питательной ценности самого торфа применим при получении торфоаммиачных удобрений.

Второй способ — компостирование — несложен, легко осуществим и достаточно эффективен. Он довольно подробно описан в литературе и широко используется садоводами на приусадебных и дачных участках.

Сейчас разработаны и другие химические и биохимические методы активизации питательных элементов и органического вещества торфа, с помощью которых производят различные виды торфогуми новых удобрений.

*

В сельском хозяйстве торф нашел еще одно интересное применение: как материал для хранения овощей и фруктов. Он эластичен и упруг, обладает бактерицидными свойствами, способностью хорошо поглощать воду и газы, низкой теплопроводностью и повышенной кислотностью. Лучше всего для хранения сельскохозяйственной продукции использовать торф со степенью разложения менее 15%, содержанием сфагновых мхов более 10%, влажностью 35—45%, зольностью менее 15%, кислотностью рН в пределах от 2,5 до 5,4. Конечно, подойдет и более разложившийся торф, но эффект от его применения будет несколько ниже. Кроме того, важно, чтобы применяемый торф предварительно не подвергался саморазогреванию (этот сложный биохимический процесс происходит при хранении торфа в больших штабелях и нередко становится причиной самовозгорания).

При длительном хранении слои овощей и фруктов перекладывают прослойкой из измельченной торфяной крошки толщиной 3—5 см. Мягкая торфяная подстилка не допускает механического раздавливания плодов, подавляет размножение гнилостных бактерий. Даже при загнивании некоторых плодов процесс не распространяется на весь объем продуктов. В таком “законсервированном” виде овощи и фрукты хорошо переносят небольшие заморозки, что особенно важно при их транспортировке в зимнее время (в этом случае рекомендуется использовать торф влажностью 30—35%).

В торфе можно хранить и транспортировать томаты, картофель, морковь, свеклу, репу, брюкву, яблоки, груши, луковицы и клубни цветочных культур. При перевозке среднеспелых томатов, послойно пересыпанных торфом, потери от механических повреждений уменьшаются в 1,5—1,75 раза, а при перевозке спелых томатов — в 2—2,5 раза по сравнению с транспортировкой в ящиках без торфа. В таблице представлены данные ученых Тверского государственного технического университета Е. Т. Базина, Р. А. Крупнова и М. В. Попова, показывающие эффективность хранения томатов в торфе. Торф, в котором хранили продукты, можно затем использовать в качестве основы грунтов, субстратов и удобрений.

*

Торф хорошо поглощает воду и другие вещества (некоторые виды торфа способны удерживать массу воды, в 30 раз превышающую их собственный вес). И “чистый” торф, и продукты его глубокой переработки можно использовать для очистки воды и почвы от загрязнений. Кстати, торфяные болота служат естественными биологическими фильтрами.

При разливе нефтепродуктов на поверхности земли и акваторий можно применять торфяную крошку (фрезерный торф) или различные виды гранулированного торфа. Специалисты отдают предпочтение формованному (гранулированному) сорбенту, поскольку его легче собирать и утилизировать. Например, сухие шаровидные гранулы из торфа могут длительное время находиться на поверхности воды и не тонуть. Впитав в себя жидкие углеводороды (то есть нефть), материал образует устойчивый плавучий конгломерат, который можно легко удалить с поверхности и отправить на переработку или сжигание. Зарубежные аналоги таких сорбентов зачастую имеют более низкие потребительские свойства (емкость поглощения, пористость, биологическая устойчивость, удерживающая способность и т. д.). Кроме того, уникальные свойства торфа позволяют модифицировать сорбент нефтеокисляющими биопрепаратами, которые способствуют быстрой деструкции нефтепродуктов, оставшихся в воде.

В странах Западной Европы более 10 000 кубометров торфа в год используют для биологической фильтрации воздуха. В Финляндии, Норвегии, Голландии и Великобритании успешно применяют технологии очистки газообразных выбросов, основанные на пропускании газов через торфяной фильтр, который содержит микроорганизмы, разлагающие отходы.

Путем термохимической переработки торфяного сырья получают высококачественные активированные угли. Их применяют для сорбции летучих растворителей и санитарной очистки вентиляционных выбросов, очистки сточных вод, подготовки воды, в качестве основы для каталитических систем в крупных химических производствах, в средствах индивидуальной и коллективной защиты органов дыхания и многих других отраслях. По оценкам Всероссийского научно-исследовательского института торфяной промышленности, потребность России в активированных углях составляет не менее 100—150 тыс. тонн в год.

*

Торф можно использовать и в строительстве. Для этого есть все предпосылки: низкая теплопроводность, высокая пористость, антисептические свойства. Причем при производстве строительных материалов торф может выступать в качестве основного и вспомогательного сырья.

Строительные блоки на основе торфа используют как теплоизоляционный материал при строительстве жилых зданий от одного до десяти этажей, дачных домиков, гаражей, овощехранилищ, хозяйственных построек. Прочность блоков такова, что при малоэтажном строительстве (до двух этажей при высоте этажа до трех метров) их можно использовать для возведения несущих стен. При этом возникает так называемый “эффект деревянного дома” — летом в нем прохладно, а зимой тепло. Тепло- и звукоизоляционные характеристики позволяют уменьшать толщину стен зданий в 3—4 раза. В г. Твери уже построено несколько зданий с применением таких строительных материалов.

Разработаны и более сложные технологии использования торфа для строительства. В одной из них, наряду с торфяным сырьем, применяются и попутно залегающие полезные ископаемые: глина, глинистый мергель, минерализованный ил.

Речь идет о пористых заполнителях для легких бетонов. Традиционно для их изготовления используются высококачественные вермикулитовые глины, которые обладают способностью вспучиваться при высокотемпературном воздействии — обжиге. Таким способом получают керамзит. Чем выше пористость керамзита, тем лучше конечные свойства бетонов на его основе. Однако во многих регионах запасы такого сырья уменьшаются. Приходится использовать низкокачественную глину, что приводит к увеличению теплопроводности бетонных блоков и большим потерям тепла в построенных из них зданиях.

Специалисты из Тверского государственного технического университета пошли по другому пути: они создали принципиально новый заполнитель, который не имеет ячеистой пористой структуры (как у керамзита) и для производства которого не нужно высококачественного глинистого сырья. Гранулы нового заполнителя выглядят как шарики, состоящие из тонкой “скорлупы” и полой внутренней части (представьте себе неповрежденный лесной орех без ядра).

Технология получения заполнителя такова. Из влажного торфа формуется шарообразная гранула, на которую наносят тонкий слой глины. После тепловой обработки торфяное ядро выгорает, а глинистая оболочка спекается. В результате получается пустотелая гранула.

У этого способа получения заполнителя для легких бетонов есть масса преимуществ. Во-первых, низкие требования к исходному органическому и минеральному сырью: возможно производство качественной продукции при использовании практически любого торфа и глинистого материала. Во-вторых, бетон, изготовленный из такого заполнителя, отличается низкой плотностью (800—850 кг/м ³) и, соответственно, небольшой теплопроводностью. Кроме того, используемый минеральный материал зачастую находится под залежью торфа, что значительно сокращает расходы на его добычу и транспортировку, а также позволяет наиболее полно извлекать полезные ископаемые из залежи.

Можно изготавливать торфобетонные блоки и непосредственно из гранулированного торфа. В этом случае заполнителем служат сами торфяные гранулы. Такой бетонный блок может служить в качестве теплоизоляционного материала. Один из немногих недостатков строительных материалов на основе торфа — горючесть — устраняется применением специальных антипиреновых составов (их также с успехом используют для предупреждения и борьбы с торфяными пожарами). Топливный торфяной брикет, обработанный таким составом, не горит даже при непосредственном контакте с открытым пламенем.

При химической переработке органического вещества торфа можно получить соединения, которые улучшают гидрофобные (водоотталкивающие) свойства цемента и сухих строительных смесей на его основе. Когда цемент долго хранится на складе при высокой относительной влажности, его активность падает, а прочность изделий с его использованием существенно снижается (через шесть месяцев хранения на 20—30%). Быстротвердеющие и тонкомолотые цементы уже через три-четыре недели переходят в разряд обычных.

Гидрофобный цемент на основе специальных добавок был создан в конце 40-х годов прошлого века в СССР в результате научных исследований М. И. Хигеровича, Б. Г. Скрамтаева, Г. И. Горчакова и других. Используя опыт нашей страны, производство гидрофобного цемента наладили в Англии, затем в 70-х годах было опубликовано более 20 описаний к патентам на способы получения гидрофобных цементов под различными названиями в Японии, ФРГ и США. Как правило, в качестве гидрофобизующих добавок используются асидол, мылонафт, окисленный петролатум, синтетические жирные кислоты и другие соединения, которые вводятся в цемент при помоле. Гидрофобизующее действие обеспечивают вещества, молекулы которых имеют выраженное асимметрично-полярное строение. Они состоят из полярной “головки” (группы СООН, СООNa и т. п.) и углеводородного “хвоста” (длинного углеводородного радикала). Такие молекулы ориентированы своими полярными группами к частицам цемента и зернам заполнителей, адсорбирующим ионы кальция, а гидрофобные углеводородные радикалы обращены наружу. То есть частица цемента как бы “ощетинивается” своеобразным водоотталкивающим “молекулярным ворсом”, и смачивание ее водой значительно затрудняется.

Сотрудники Тверского государственного технического университета совместно со специалистами ООО “Стройстрим” (Москва) разработали новый способ гидрофобизации минеральных вяжущих материалов. В материал вносятся соединения, выделяемые из торфяного сырья, а затем, для придания минеральному вяжущему составу максимального водоотталкивающего эффекта, выполняется специальная операция — активация органоминеральной смеси. При этом на внешней поверхности цементных зерен образуется защитная водоотталкивающая пленка. Такой способ позволяет придать влагостойкость не только цементу, но и другим дисперсным сыпучим материалам (извести, гипсу, сухой измельченной глине, песку).

Практически во всех экспериментах наблюдали значительное увеличение времени смачивания — более чем в 100 раз по сравнению с ГОСТом на гидрофобные цементы. Но, несмотря на это, после интенсивного механического перемешивания происходит нормальное схватывание и твердение раствора. При приготовлении строительного раствора (или бетона) целостность гидрофобных пленок, которые находились на поверхности цементных частиц, нарушается. В процессе перемешивания они распределяются по всему объему материала, создавая тем самым “защитный барьер” от проникновения влаги внутрь образца. Эффективность этого “барьера” зависит от того, насколько равномерно и упорядоченно они распределяются в растворе. Более того, при вибрационном уплотнении смеси основная часть добавок перемещается вверх, что еще больше увеличивает водоотталкивающие свойства поверхности. Вода на полученных таким образом строительных материалах может находиться длительное время, не проникая в цементный камень.

Строительные материалы на основе таких цементов можно применять для строительства во влажных климатических зонах, районах Крайнего Севера, для гидротехнического строительства.

*

Области использования торфа гораздо шире, чем рассказано в статье. Торфяная отрасль Российской Федерации сейчас утратила лидирующие позиции по объемам промышленной добычи и переработки торфа, уступив их таким странам, как Финляндия, Канада, Ирландия (которые, кстати, довольно подробно изучали опыт СССР и использовали его в своем производстве). Однако точка падения уже пройдена, и наша страна до сих пор сохраняет приоритет в научном обосновании новых ресурсо- и энергосберегающих технологий, а также в фундаментальных исследованиях органических и органоминеральных биогенных материалов.

№5, 2004