Получение полезных химических компонентов из мочи

Здравствуйте, Олег Викторович!

Расскажите, пожалуйста, о получения различных неорганических солей и других полезных химических компонентов из мочи. Некоторые ученые считают, что моча в скором времени может стать ценнее нефти. Слышал, что в Японии из мочи получают неорганические соли для изготовления антигололедных реагентов.

С уважением, Николай

Здравствуйте,

С технологической точки зрения процесс получения каких-либо целевых компонентов органической или неорганической природы из многокомпонентных водных растворов достаточно прост. Это выпаривание водного раствора. Но здесь имеются свои особенности, зависящие от состава выпариваемого раствора и природы компонентов, имеются ли в растворе термолабильные компоненты и т.д. и т.п. То есть нужно выбрать соответствующий выпарной аппарат и режим его эксплуатации – периодический или непрерывный.

В случае с непрерывным режимом эксплуатации в аппарат непрерывно подается раствор, затем получается нужная концентрация, а упаренный раствор непрерывно удаляется в процессе работы аппарата.

Периодический режим эксплуатации реализуют с целью получения высоких концентраций при малой производительности оборудования. Процесс происходит периодически. В аппарат подают раствор определенной концентрации, выпаривают его, упаренный раствор сливают, опять загружают раствор и т.д. и т.п.

Выпарные аппараты бывают:

  • со свободной циркуряцией раствора;
  • с естественной циркуляцией;
  • принудительной циркуляций;
  • пленочного (роторного) типа, где раствор стекает тонкой пленкой.

В некоторых случаях, когда в растворе присутствуют термолабильные компоненты используют выпаривание под вакуумом. Вакум-выпарные установки также используются для концентрирования растворов.

Нагрев может осуществляться с помощью водяного пара или электрического обогревателя. И тот и другой методы применяются в промышленности. В больших производствах используется нагрев водяным паром, в малых – электрический нагрев.

Выпарные аппараты с паровым обогревом состоят из двух основных частей: кипятильника (греющая камера), в котором расположена поверхность теплообмена и происходит выпаривание раствора и сепаратора — пространство, в котором вторичный пар отделяется от раствора.

Если в растворе присутствуют химически агрессивные, склонные к образованию накипи и шлама, то лучше использовать обогрев паром или вынести греющую камеру из аппарата, разместив ее отдельно. Выпарные аппараты с выносным кипятильником применяются для выпарки кристаллизующихся и пенящихся растворов.

По типу нагревательной поверхности:

  • змеевики;
  • трубчатые элементы;
  • паровые рубашки.

По расположению нагревательной поверхности:

  • вертикальные;
  • горизонтальные.

Если раствор концентрированный, то используют выпарной аппарат для выпаривания концентрированных растворов, который состоит из греющей камеры, над которой расположена камера вскипания высотой около 2 м. В верхней части камеры вскипания размещены концентрические перегородки, образующие кольцевые каналы. Из камеры вскипания парожидкостная смесь поступает в сепаратор, откуда жидкость возвращается в греющую камеру по циркуляционной трубе через приемник для кристаллов. В греющей камере происходит только подогрев раствора, а кипит он в каналах между перегородками. Эти перегородки упорядочивают поток вскипающей жидкости и препятствуют образованию пульсаций и вредных циркуляционных токов в зоне кипения.

Пленочные аппараты обладают высоким коэффициентом теплопередачи. Он достигается при определенном уровне жидкости, который устанавливается опытным путем: при повышении уровня коэффициент теплопередачи снижается; при понижении уровня уменьшается содержание жидкости в парожидкостной смеси, что приводит к недостаточному смачиванию верхних концов труб и снижению активной поверхности теплообмена. Из-за однократного прохождения жидкости через аппарат со значительной скоростью, для получения достаточно концентрированного упаренного раствора требуются длинные трубы (обычно 6 – 9 м).

Для осуществления процесса сначала необходимо выбрать соответствующий выпарной аппарат конкретного типа, конкретной производительности, мощности и конкретно к данному процессу, содержанию в сухом остатке и выходам и с учетом многокомпонентности раствора (моча) и его состава, а также возможного наличия в нем химически активных, химически агрессивных компонентов, термолабильных компонентов, склонности к химическим взаимодействиям органических и неорганических компонентов в процессе нагрева при выпаривании, содержание по сухому остатку, выходы, концентрации упариваемого и упаренного раствора, сколько и какие компоненты уходят в упаренный раствор, потери и т.д. и т.п. Задача довольно сложная и требует проведение расчетов процесса выпаривания и составление технологического регламента производства.

Но теория это теория, а практика – это совсем иное. Конкретно по данному методу –извлечения неорганических солей из мочи могу сказать следующее:

Моча – это сложный по многокомпонентному составу раствор органических и неорганических элементов.

Органические компоненты в сутки (в расчете на сутки) (20 — 35 г)

  • Кетоновые тела (< 3 г)
  • Аминокислоты (1 — 3 г)
  • Креатинин (1 — 1,5 г)
  • Мочевая кислота (0,3 — 2, г)
  • Глюкоза (< 0,16 г)
  • Белок (< 0,15 г)
  • Гиппуровая кислота (0,15 г)
  • Креатин (0,05 — 0,1 г)

Неорганические компоненты:

  • Катионы (K+, Na+, Ca2+, Mg2+, NH4+,)
  • Анионы (Cl, SO42−, НРО42−)
  • Другие ионы в малых количествах (в малых количествах)

Относительно содержания основных катионов, ионов, аммонийного азота, хлорида и фосфора и мочевой кислоты состав примерно такой:

  • Na+ – 3,6 г/сутки;
  • K+ – 1,5-3,2 г/сутки;
  • Mg2+ – 0,1-0,2 г/сутки;
  • Ca2+ – 0,1-0,25 г/сут;
  • аммонийный азот – 0,5-1,0 г/сут;
  • Cl- – 3,6-3,9 г/сут;
  • фосфор – 0,9-1,3 г/сут;
  • мочевая кислота- 0,2-1,2;
  • мочевина – 20-25 г/сут.

Это суточное содержание, т.е. если в день организм выделяет ~1,5 л мочи, то есть примерно на литр. Если рассчитывать процесс переработки 100 л мочи, то концентрация этих элементов увеличится в среднем в 100 раз, соответственно – если 1000 л., то в 1000 раз. По Na+, K+, Cl - и фосфору цифры увеличатся на сотни граммов; по Mg2+ и Ca2+ на десятки граммов; следовательно, наверное, нужно подумать и о специальных методах предварительного концентрирования раствора мочи перед выпариванием. Может быть кристаллизация. И нужно что-то делать с таким большим количеством органики. Кетоны и аминокислоты наверняка будут образовывать соли с катионами металлов и поэтому в чистом виде неорганику выделить этим методом не удастся. Поэтому если отделять отдельно органику, а отдельно неорганику нужно думать о других методах – химическое осаждение, электрохимическая обработка с сорбцией, отгонка, экстракция, ректификация, молекулярная дистилляция, кристаллизационные методы, возможно ионный обмен (обратный осмос - невозможно, так как поры фильтра будут забиваться; возможно микрофильтрация.

Сначала нужно сделать технологический расчет, потом провести модельные эксперименты, выбрать метод, аппарат.

Например,

  • normit.ru/otrasli/katalog-oborudovaniia/527
  • фармоборуд.рф/vakyym_vypar_apparat.html
  • www.artlife-techno.ru/viparka.htm
  • www.gea-pe.ru/gpru/cmsdoc.nsf/WebDoc/webb8zkcyp
    ГЕА Процессный инжиниринг, ООО.
    Россия, 105094, Москва, ул. Семеновский вал, 6, стр. 1

С уважением,
К.х.н. О.В. Мосин