Отходы переработки кукурузы как вторичный сырьевой ресурс

Овчинникова А. А., Александрова А. В., Шурай К. Н., Алешин В. Н., Кубанский государственный технологический университет, Краснодар, Россия

При переработке кукурузы ежегодно образуются миллионы тонн отходов (стержни початков, стебли, солома и т. д.), которые легко собираются и пригодны для различных целей. Патентные исследования, проведенные авторским коллективом, выявили ряд способов их использования. В 1999—2009 гг. наибольшее количество технических решений (более 50) запатентовано в Китае. Области применения продуктов, получаемых при переработке отходов кукурузы, представлены на рис. 1.

Анализ научно-технической информации показывает, что в настоящее время в некоторых странах Европы стержни кукурузных початков служат топливом, в США — сырьем для производства целлюлозного этанола. В Египте отходы переработки кукурузы используют в фермерских хозяйствах как корм, топливо, подстилку для животных. Однако в большинстве стран, в том числе России, они не находят применения и остаются на полях либо сжигаются. В основном это объясняется неэффективностью экономических механизмов и отсутствием единой базы данных по объемам накопления и методам использования растительных отходов сельского хозяйства.

В рамках исследования, проводимого на базе КубГТУ, изучены характеристики и свойства отходов переработки кукурузы. Систематические знания об их составе и данные мониторинга накопления послужат основой:

— для создания условий эффективного оборота вторичных сырьевых ресурсов;

—  организации производства новых полезных продуктов и последующей их экологически безопасной утилизации, в частности в важных сельскохозяйственных и рекреационных зонах юга России.

Эти вопросы особенно актуальны в связи с ускоренной реализацией на территории Краснодарского края национального проекта «Сочи-2014».

Лабораторные исследования проводили в 2008—2009 гг. на современных наиболее популярных районированных гибридных популяциях кукурузы «анютка» и «краснодарский 382 МВ».

На рис. 2 представлен поперечный срез стержня кукурузного початка.

Рис. 2. Строение стержня кукурузного початка

Химический состав его отдельных частей ранее не изучали. Мы исследовали следующие продукты, измельченные до однородной массы, проходящей через сито с диаметром отверстий 620 мкм:

— початки, не содержащие семян, (СКП1);
— древесное кольцо с сердцевиной, отделенное от мягкой и грубой составляющих внешней части початка, (СКП2);
— мягкую и грубую составляющие внешней части початка (СКП3).

Содержание влаги в сырье представлено в табл. 1. Оно колеблется в зависимости от гибрида.

Таблица 1

Содержание влаги в сырье

 

Средние значения результатов анализа химического состава по основным компонентам приведены в табл. 2.

Таблица 2

Химический состав отдельных частей стержня кукурузного початка (в пересчете на а. с. в.), %

Наибольшее количество целлюлозы и гемицеллюлозы содержится в древесном кольце с сердцевиной, что свидетельствует о его механической прочности. Содержание золы снижается в последовательности СКП3→СКП1→СКП2, а содержание гемицеллюлозы — в последовательности СКП2→СКП1→СКП3. Наибольшее содержание лигнина в СКП3.

Для оценки сорбционных свойств исследовали следующие характеристики сырья: плавучесть на водной поверхности, гидрофобность, сорбционную емкость. Благодаря системе замкнутых пор, заполненных воздухом, стержень кукурузного початка имеет высокую плавучесть — более 72 часов. Наименьшей плавучестью обладает внешняя часть стержня кукурузного початка: через 4 часа эксперимента частицы начинают опускаться на дно цилиндра с водой. Частицы древесного кольца осели через 44 часа.

 

Исследования смачиваемости водой показали, что угол смачивания поверхности мягкой и грубой составляющих внешней части стержня кукурузного початка, а также сердцевины более 90°, а древесного кольца — менее 90°.

Для определения сорбционной емкости использовали производственную смесь кукурузных початков. В статических условиях максимальная сорбционная емкость стержня кукурузного початка по отношению к нефти составляет 6,9 г/г.

Предложены способы повышения этого показателя путем химической модификации поверхности сырья — кислотного и щелочного гидролиза, обработки раствором пероксида водорода. Лучший результат достигнут при использовании второго метода. Сорбционная емкость по отношению к толуолу составила 9,8 г/г, по отношению к бензину и моторному маслу — 9,6 г/г, к керосину — 9,4 г/г.

Результаты наших экспериментов и анализ научно-технической информации подтверждают, что исследованные отходы представляют собой ценные вторичные сырьевые ресурсы. Построена модель их рационального оборота (рис. 3).