Биологический процесс роста деревьев сопровождается периодическим сбрасыванием листьев. Например, в умеренном климатическом поясе это происходит осенью. В связи с этим на урбанизированной территории опавшие листья становятся растительными отходами. Они приравниваются к твердым коммунальным отходам и вывозятся на полигоны. Однако в настоящее время существуют методы использования (переработки) опавших листьев с извлечением их полезных свойств. К основным способам переработки опавшей листвы относят: создание компоста; экстракцию полезных соединений; производство биотоплива в форме пеллетов, а также получение биогаза; сорбцию загрязняющих веществ; производство пластмасс и бумажных изделий. Эти способы рассматриваются как отечественными, так и зарубежными исследователями. Например, А.Д. Губанов и др. в своей работе [1] предлагают использовать листья в качестве гранулированного органоминерального удобрения путем добавления препаратов, способствующих быстрому разложению и насыщению почвы. Другие исследователи [2] получили биоуголь из опавших листьев Jatropha curcas L. Многие исследователи предлагают перерабатывать опавшие листья по технологии компостирования путем равномерного перемешивания биомассы с различными веществами: минералосодержащими фильтрационными осадками сахарных заводов [3], пищевыми отходами [4] или свиным навозом [5].
Опавшая листва обладает хорошей теплотворной способностью и может быть переработана в биотопливо второго поколения путем преобразования в топливные гранулы, брикеты, пеллеты [6, 7] или получения биогаза [8].
В последние годы для удаления примесей, содержащихся в воде, успешно применяются сорбционные материалы на основе растительных отходов. Например, в работе [9] рассмотрена сорбционная очистка модельных растворов от ионов железа путем применения опилок и опавшей листвы Quеrcus rоbur. Другие исследователи получили железодобавленный биоуголь для сорбции анионов [10]. Obaida Alhajali и др. [11] изучали возможность удаления нитратов и фосфатов из водной среды при помощи порошка из листьев Pistacia lentiscus, а Ali Q. Alorabi и др. [12] оценивали сорбционные способности Lavandula pubescens при удалении ионов свинца из сточных вод.
В рамках постепенного перехода мирового сообщества к экономике замкнутого цикла растет производство биопластика, включающего биоосновные полимеры (bio-based plastic) и биоразлагаемые (biodegradable plastic). Содержащийся в опавших листьях лигнин может использоваться как добавка к наполнителю для производства пластмасс. Например, в работе [13] методом математического планирования изучается возможность получения пластиков на основе листьев финиковой пальмы. В работе А.С. Ершова [14] описываются исследования по применению отходов лесной растительности, а именно древесной растительности и опавшей листвы из участков лесопарковых зон для получения пластика методом горячего прессования.
Ежегодно вырубается более 100 млн деревьев для производства бумаги с связи с увеличением потребления бумажной продукции с 92 до 208 млн т в год. Многие исследователи считают, что промышленное производство бумаги из опавшей листвы может существенно сократить вырубку лесов. Например, в работе [15] представлен метод получения целлюлозных волокон из опавших листьев с помощью химико-термической обработки.
Еще одним способом использования растительных отходов, таких как опавшая листва, отходы переработки трав, лузга подсолнечника, кукурузные початки, является получение нефтесорбента для ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов. Целью данной работы является оценка сорбционных свойств листового опада урбанизированной территории. Для достижения поставленной цели необходимо проанализировать основные свойства нефтесорбентов и методы определения этих свойств; изучить видовой состав лесных насаждений Уфы и выбрать объект исследования; в соответствии с выбранными методами изучить свойства объекта исследования как нефтесорбента.
Универсальный нефтесорбент должен обладать следующими свойствами и качествами: высокой сорбционной способностью к нефти и нефтепродуктам; обладать минимальным временем поглощения разлива; иметь возможность к регенерации; быть экологичным; обладать низкой способностью к водопоглощению; содержать высокопористую поверхность; а также легкость в технологическом изготовлении и утилизации. Классификация сорбентов приведена в табл. 1–3.
Свежие листья по своей природе очень скоропортящиеся. Для сохранения листьев на более длительный срок необходим соответствующий метод сушки для удаления влаги до безопасного уровня активности. Низкое содержание влаги в продуктах, приготовленных из высушенных листьев, помогает увеличить срок их хранения.
Для удаления необходимого количества воды из листьев используется контролируемый процесс термической обработки.
Таблица 1
Классификация нефтяных сорбентов по исходному сырью
|
Органические сорбенты |
Неорганические сорбенты |
||||
|
Органо- минеральные |
Синтетические |
Природного происхождения |
Каустобиолиты |
Искусственные минералы |
Естественные минералы |
|
Нефтешламы Сланцы |
Полиуретан Тефлон |
Опилки Листва |
Торф Уголь |
Перлит Силикагель |
Силикаты Цеолиты |
Таблица 2
Классификация сорбентов по дисперсности
|
Дисперсные |
Формованные |
|||
|
Крупнодисперсные |
Мелкодисперсные |
Прессованные |
Волокнистые |
Комбинированные |
|
Хлопья Крошка Гранулы |
Порошки |
Плиты |
Тканые материалы |
Подушки Сорбирующие боны |
Таблица 3
Классификация сорбентов по плавучести
|
Неплавучие |
Ограниченной плавучести |
Высокой плавучести |
|
До 3 ч |
2–72 ч |
Более 72 ч |
Оптимизированный процесс сушки необходим не только для сохранения листьев и получения концентрированных питательных веществ, но и для минимизации энергопотребления, чтобы сделать его экологически чистым. Для обезвоживания различных листьев применяются многочисленные методы: воздушная сушка, сушка на солнце, сушка в прессе, сушка в печи горячим воздухом, сушка в микроволновой печи, сублимационная сушка, сушка силикагелем, сушка глицерином и конвективная сушка. Определение сорбционных характеристик проводится в соответствии с ГОСТ 33627-2015.
Материалы и методы исследования
Город Уфа является одним из зеленых городов России (рис. 1).
Рис. 1. Видовой состав лесных насаждений Уфы: 1 – хвойно-широколиственные леса; 2 – зона лесостепи; 3 – степная зона; 4 – горно-лесная зона
Естественные леса города – типичные широколиственные, представленные такими видами, как Quеrcus rоbur, Tilia cordаta, Pоpulus trеmula и Аcer platanoides.
Для исследования основных сорбционных характеристик опавшей листвы осенью 2022 г. собран листовой опад Quеrcus rоbur в центральном районе Уфы на территории сквера 50-летия Победы (в средней части сквера). Листья собирались вручную в пластиковые мешки объемом 30 л без утрамбовывания, свободно. Сушка листьев проводилась естественным путем (воздушная сушка) в лаборатории кафедры безопасности производства и промышленной экологии Уфимского университета науки и технологий при температуре 22–23 °С, влажности 20–22 % на бумажной подстилке в течение месяца с периодическим перемешиванием. Воздушная сушка является наиболее традиционным методом сушки, занимает от двух до четырех недель, потому что для полного высыхания требуется больше времени по сравнению с другими методами.
Для получения фракционного состава использовался электрический измельчитель, лабораторные сита с размером ячеек от 0,1 до 10,0 мм и аналитические весы. Исследуемая масса листового опада Quеrcus rоbur взвешивалась по 50 г и измельчалась до однородной консистенции в течение 18 с.
Для определения плавучести навеска измельченного листового опада массой 1 г насыпалась в емкость, заполненную водой объемом 250 мл на 5 мин. После отстаивания опыт повторялся с перемешиванием и аналогичным отстаиванием.
Для определения водопоглощения навеска измельченного листового опада массой 1±0,0090 г помещалась в закрывающееся сито и погружалась в емкость с водой объемом 300 мл на 15 мин.
Для определения адсорбируемости воды по ГОСТ 33627-2015 навеска измельченного листового опада массой 1±0,0200 г помещалась в колбу, наполненную водой 250 мл, далее содержимое встряхивалось в течение 15 мин. После в течение 2 мин раствор отстаивался, и анализировался процент выпадения листьев в осадок.
Для определения нефтеемкости навеска измельченного листового опада массой 1±0,001 г насыпалась в сито, которое погружалось в емкость с нефтью на 10 мин. После этого нефти давали стечь на протяжении 2 мин.
Результаты исследования и их обсуждение
Дуб черешчатый (Quеrcus rоbur) – типовой вид рода Дуб (Quercus) семейства Буковые (Fagaceae) образует широколиственные леса (дубравы) на юге лесной и в лесостепной зонах. Широко распространен в Западной Европе и европейской части России, встречается на севере Африки и в Западной Азии. В листьях содержатся флавоноиды, пентозаны, дубильные вещества, кверцетин, а также красящие вещества. Во всех частях дуба имеются вещества дезинфицирующего и фитонцидного характера. Для описания листьев отобрано пять наилучших образцов (рис. 2).
Все образцы имеют одинаковый грязно-коричневый, бурый цвет, по мере уменьшения размеров область пятнистости становится меньше, первый и второй образец больше чем наполовину покрыты пятнами.
Рис. 2. Визуализация листьев Quеrcus rоbur
Рис. 3. Раствор листового опада Quercus robur: а) сутки отстаивания; б) трое суток отстаивания
Длина листа дуба уменьшается от 13,5 до 6 см с шагом 1,0–2,5 см в порядке уменьшения длины; ширина также уменьшается от 8 до 4 см с величиной шага 0,5–1,5 см; длина черешка примерно одинаковая на каждый лист 0,5 см; количество жилок варьируется от 9 до 21 шт. У листьев дуба выделяется головная жилка, расположенная посередине, вокруг которой ветвятся мелкие, создавая сетку. Средняя длина листа – 10 см, ширина – 5,8 см, длина черешка – 0,46 см, масса листа – 1,2393 г.
Измельченная масса листового опада Quеrcus rоbur разделялась на 6 фракций: 10,0; 5,0; 2,0; 1,0; 0,5; 0,25 и 0,1 мм. Исходя из размеров фракций, выделены три группы частиц: крупные – 5,0–10,0 мм, средние – 1,0–2,0 мм и мелкие – 0,5–0,1 мм.
Исходя из классификации нефтесорбентов (табл. 1 и 2) опавшая листва является сорбентом природного происхождения (листва) и относится к крупнодисперсным частицам (хлопья). По методике ГОСТ 33627-2015 исследованы сорбционные свойства опавших листьев дуба черешчатого как адсорбента II типа.
По результатам исследований плавучести можно сделать вывод об отсутствии осадка после отстаивания и перемешивания опытных образцов на протяжении 5 мин мелкой и средней фракции; в осадке крупной фракции соответственно выпадают лишь черенки. Раствор листового опада Quercus robur после суток отстаивания приобрел окрас от золотисто-коричневого до чайного цвета (рис. 3).
В соответствии с табл. 3 листовой опад Quercus robur имеет высокую плавучесть. Влагоемкость оставила 3,6 г/г. Следует отметить, что в работе [16] проведена оценка водопоглощения коры дуба, которая составила 3,4 г/г и соизмерима с полученными в работе результатами.
Нефтеемкость дуба черешчатого в соответствии с полученными в работе результатами составила 4,67–5,91 г/г. Аналогичные результаты (4,77–5,06 г/г) получены исследователями из Казанского национального исследовательского технологического университета по коре дуба. Соответственно, сорбент из опавшей листвы может быть использован для ликвидации небольших разливов нефти и нефтепродуктов.
Заключение
Таким образом, растительные отходы, в частности опавшие листья, урбанизированной территории представляют собой ценный ресурс и могут быть использованы для различных целей – от получения удобрений до получения бумаги. Также при переходе мирового сообщества на экономику замкнутого цикла опавшие листья следует рассматривать как материал для получения биосорбента. На примере урбанизированной территории Уфы исследованы сорбционные характеристики опавшей листвы, а именно Quercus robur. Полученная нефтеемкость листьев дуба составила 4,67–5,91 г/г, что сопоставимо с нефтеемкостью сорбентов, присутствующих на рынке, например таких, как «Экограннефтеторф» (не менее 4 г/г), «Нефтесорб» (4,6–9 г/г), «ЭКОПРОСОРБ» (5,5–6,6 г/г). При этом возможно повысить нефтеемкость получаемых биосорбентов путем модификации опавшей листвы разнообразными методами: гидротермальной и термообработкой, ацетилированием, использованием растворов NaClO2 и NaOH, стеарата кальция и жирных кислот.
Полученные в работе результаты будут интересны исследователям в области нефтесорбентов и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов.