Новые эффективные сорбенты для сушки неустойчивых при нагревании (термолабильных) материалов, в том числе семян сельхозкультур, разработали ученые Красноярского научного центра (КНЦ) СО РАН, 4 октября сообщает издание СО РАН «Наука в Сибири» со ссылкой на пресс-службу КНЦ.

Ученые КНЦ СО РАН получили патент на созданный ими сорбционно-контактный способ сушки семян сельскохозяйственных культур при помощи разработанного ими микросферического композитного осушителя на основе сульфата магния и ценосфер угольной золы. Новый метод, не требуя внешнего теплового воздействия, понижает влажность семян, сохраняя и даже улучшая их качество.

Результаты исследования этого метода были представлены в статьях журналов AgriEngineering «Сорбционная сушка семян пшеницы с использованием кизерита в качестве твердого осушителя» и Molecules «Получение и контактная сушка инкапсулированных микросферических композитных сорбентов на основе ценосфер летучей золы».

Проведенные эксперименты применения новых сорбентов для контактной сушки семян пшеницы продемонстрировали достижение с их помощью требуемых для хранения показателей влажности, а процент всхожести семян после использования сорбента оказался выше по сравнению с обычным тепловым способом сушки.

Необходимость поддержания определенной влажности зерна и других семян сельскохозяйственных культур вызывается тем, что ее превышение приводит к интенсивным биохимическим процессам с саморазогревом зерновой массы, а также быстрому размножению вредных микроорганизмов. В результате происходит значительное снижение всхожести семян и порча урожая.

Чтобы исключить такую опасность, после уборки сельхозкультур производится обязательная сушка зерна и семян. Традиционными являются тепловые способы сушки, однако нагрев семян в некоторых случаях может привести к снижению и даже полной потере их всхожести. Такая опасность, а также высокая энергоемкость являются существенными недостатками конвекционной сушки с использованием промышленных систем горячего воздуха.

Разработанный учеными КНЦ СО РАН сорбент содержит эффективные влагопоглощающие вещества, имеющие высокие показатели влагоемкости, большую скорость поглощения воды, нейтральность, безопасность и невысокую температуру, требуемую для его регенерации.

Руководитель проекта и соответствующего научного направления КНЦ СО РАН, профессор, доктор химических наук Александр Аншиц отметил:

«Сорбционные технологии широко используются в различных отраслях промышленности, они повышают качество продукции и обеспечивают эффективность производственных процессов. Традиционно сорбенты подбирают из ограниченного круга уже существующих материалов. Наибольшее распространение получили пористые угли, цеолиты, оксиды алюминия, силикагель».

Однако некоторые из этих сорбентов требуют высокой температуры для регенерации, другие обладают низкой механической прочностью или высокой стоимостью, или невысокой сорбционной емкостью. Поэтому красноярские ученые выбрали другой, принципиально отличный подход. Они пошли по пути целенаправленного синтеза новых материалов с заданными свойствами.

При этом для композитных систем, пояснил ученый, «появляется дополнительная возможность варьирования свойств за счет комбинирования сорбционно-активных веществ и матрицы определенной природы».

Ранее в качестве осушителей сельхозкультур исследовались опилки, сухое зерно, гранулированный силикагель, сульфат натрия, глинистые минералы. Однако для них продолжительность сушки составляла от 12 часов до нескольких суток, а высокая дисперсность (раздробленность) некоторых из этих реагентов приводила к их потерям и налипанию на поверхность зерна.

Эти недостатки значительно снижали общую эффективность сушки. Избежать их помогло использование композитных сорбентов, где влагопоглощающий компонент помещался во внутренний объем носителя.

Ученые КНЦ СО РАН синтезировали именно такие новые микросферические композитные сорбенты, Кроме того, они впервые предложили в качестве сорбирующего влагу вещества для сушки семян использовать сульфат магния в виде одной из наиболее устойчивых его природных форм — кизерита, минерала класса природных сульфатов (MgSO₄ H₂O), залежи которого есть в России.

Достоинством этого минерала для целей сорбции влаги являются: нейтральность, высокая скорость поглощения влаги, большая емкость поглощения и низкая температура регенерации. При этом сульфат магния служит широко применяемым сельскохозяйственным удобрением.

Поскольку для композитных сорбентов, в которых влагопоглощающий компонент помещается во внутренний объем носителя, важен правильный выбор носителя, исследователи КНЦ СО РАН остановились на ценосферах. Это содержащиеся в золе частицы, которые образуются при сжигании угля на тепловых электростанциях.

Влагопоглощающий реагент через открытую систему транспортных пор помещался во внутреннюю полость сферической матрицы ценосферы. Высокая прочность стеклокристаллической оболочки, термостабильность и кислотостойкость делают ценосферы идеальными микроконтейнерами для реагента.

Капсулирование активного компонента сорбента во внутреннем объеме ценосфер предотвращает его унос, загрязнение и налипание на поверхность зерна, одновременно сохраняя стабильные высокие влагопоглощающие свойства в течение нескольких циклов сушки.

Исследование свойств новых сорбентов разработчики проверили на семенах пшеницы, выращенных в Опытно-производственном хозяйстве «Михайловское». Влажность пшеницы достигла значений, рекомендуемых для безопасного хранения семян, уже после четырех часов контактной сушки новым сорбентом, что значительно превышает по скорости сушку другими известными сорбентами.

При этом всхожесть просушенных новым методом семян оказалась выше 95%. Отделение сорбента от зерна по окончании сушки легко производилось ситовым способом, а для его регенерации, чтобы использовать сорбент повторно, было достаточно нагреть его до температуры ~80 °С.

Проведенные эксперименты показали, что контактная сушка семян пшеницы разработанными сорбентами упростит послеуборочную обработку семян и повысит ее эффективность относительно других способов сушки за счет исключения перегрева зерна и мягких условий сушки.

Обладая высокой влагоемкостью, сорбционный материал позволяет проводить циклическую сушку семян, не требуя промежуточной регенерации осушителя. А регенерация сорбента не снижает его влагопоглощающие свойства.

«Сокращения потерь зерна при сохранении жизнеспособности семян является важной задачей. Наши сорбенты — это новый уровень композитных материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками», — отметила старший научный сотрудник Института химии и химической технологии КНЦ СО РАН кандидат химических наук Елена Фоменко.

Она считает, что полученные ими результаты станут «основой для разработки эффективных технологий контактной сушки семян сельскохозяйственных культур, которые не переносят термического воздействия или теряют ценные свойства при нагревании. Кроме того, результаты могут быть использованы для разработки устойчивых технологий обезвоживания термолабильных материалов».