Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,222

ВЛИЯНИЕ МЕХАНОАКТИВАЦИИ НА СТРУКТУРУ И КОМПОНЕНТНЫЙ СОСТАВ ТОРФА ЕВРОАРКТИЧЕСКОГО И СИБИРСКОГО РЕГИОНОВ РОССИИ

Парфенова Л.Н. 2 Мальцева Е.В. 1 Боголицын К.Г. 2, 3 Труфанова М.В. 2 Сурсо М.В. 2 Селянина С.Б. 2, 3
1 ФГБУН «Институт химии нефти СО РАН»
2 ФГБУН «Институт экологических проблем Севера УрО РАН»
3 ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»
Одной из ключевых задач переработки торфа является интенсификация процессов выделения ценных компонентов: гуминовых кислот, экстрактивных веществ. В статье представлены результаты исследований влияния процесса механоактивации на структуру и компонентный состав торфа Евро-Арктического и Сибирского регионов России. Использовались образцы торфа различной типовой принадлежности, отобранные на месторождениях Брусовица (Архангельская область), Темное и Таганское (Томская область). Приведена общая характеристика месторождений и препаратов торфа, представленных сфагновой (моховой) и древесной группами. Механоактивация каустобиолитов проводилась в мельнице-активаторе планетарного типа. Исследование изменения структуры торфа в результате механохимической активации проводилось методом световой микроскопии. Показано, что механическое воздействие в присутствии щелочных реагентов (в щелочной среде) приводит к изменению структуры торфа и сопровождается увеличением выхода его основных реакционно-способных компонентов – гуминовых кислот.
торф
компонентный состав и структура торфа
механоактивация
гуминовые кислоты
1. Барамбойм Н.К. Механохимия высокомолекулярных соединений. – М.: Химия, 1978. – 384 с.
2. Болдырев В.В., Хабибуллин А.Х., Косова Н.В. и др. Гидротермальные реакции при механохимическом воздействии // Неорганические материалы. – 1997. – Т. 33, № 11. – С. 1350–1353.
3. Вест А. Химия твердого тела. Теория и приложения: в 2-х ч. Ч. 1. – М.: Мир, 1988. – 558 с.
4. Гаврильчик А.П., Кашинская Т.Я., Калилец Т.А. и др. Изменение физико-химических свойств торфа при влагоудалении и механическом диспергировании // Весцi АН Беларусь Сер. xiм. навук. – 1995. – № 2. – С. 109–114
5. Иванов А.А. Химические и структурные превращения органических компонентов торфов после механоактивации: автореф. дис. ... канд. хим. наук. – Томск, 2005. – 25 с.
6. Кашинская Т.Я., Шевченко Н.В., Цынкалова Л.Ю. и др. Механохимические превращения гуминовых кислот торфа // Весщ АН Беларусь Сер. xiм. навук. – 2001. – № 1. – С. 89–92
7. Король Н.Т., Лиштван И.И. Основные свойства торфа и методы их определения. – Минск: Наука и техника, 1975. – 319 с.
8. Ломовский О.В., Болдырев В.В. Механохимия в решении экологических задач. – Новосибирск: ГПНТБСО РАН, 2006. – 221 с.
9. Методы химии углеводов: пер. с англ.; под ред. Р.И. Краснова. – М.: Мир, 1967. – 22 с.
10. Оводов Ю.С. Полисахариды цветковых растений: структура и физиологическая активность // Биоорганическая химия. – 1998. – Т. 24. – № 7. – С. 483–501.
11. Раковский В.Е., Пигулевская JI.B. Химия и генезис торфа. – М.: Недра, 1978. – 231 с.
12. Савельева А.В., Иванов А.А., Юдина Н.В. и др Каталитические свойства механоактивированных гуминовых препаратов в процессе электровосстановления кислоро да // Журнал прикладной химии. – 2004. – Т. 77. – Вып. 1. – С. 48–53.
13. Селянина С.Б., Парфенова Л.Н., Труфанова М.В., Боголицын К.Г., Соколова Т.В., Стригуцкий В.П., Пехтерева В.С., Томсон А.Э., Цыганов А.Р., Богданов М.В., Мальцева Е.В. Исследование процесса экстракции торфа Субарктической зоны органическими растворителями // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 4 (часть 2). – С. 340–344.
14. Торф в сельском хозяйстве: сборник научных трудов, Вып. 4 / РАСХН СО ГНУ СибНИИТ. – Томск, 2002. – 207 с.

Широкое применение торфа в химической технологии, сельском хозяйстве и медицине стимулирует проведение исследований, направленных на разработку методов комплексной его переработки и в частности на интенсификацию извлечения экстрактивных веществ.

Посредством интенсивного механического воздействия принципиально возможно изменить физико-химические свойства и увеличить выход компонентов из твердых каустобиолитов, к каким относится торф. Механохимические превращения веществ (механоактивация) осуществляются за счет перехода механической энергии в различные формы химической [3, 4], что открывает широчайшие перспективы для создания новых оригинальных методов переработки химических веществ и разработки технологии новых материалов с заданными свойствами [2, 14].

Условия проведения механохимической обработки влияют как на доступность отдельных компонентов для действия растворителей, так и на компонентный состав твердых каустобиолитов. Например, в [6] показано, что интенсивная механическая обработка торфа с целлюлозолитическим ферментом и щелочью повышает в 5–7 раз эффективность извлечения водорастворимых компонентов (полифенолов и полисахаридов), а выход гуминовых кислот (ГК) – в 1,5 раза. Препараты ГК, выделенные из механоактивированного торфа, проявляют биостимулирующие свойства в отношении растений, например, стимулируют развитие проростков пшеницы. Известна [6] способность водных экстрактов торфа, механоактивированного в присутствии гирокарбоната натрия, стимулировать развитие побегов рапса при микроклонировании и индуцировать регенерацию побегов из каллусной ткани, т.е. выполнять функцию фитогормона – цитокинина.

Таким образом, модификация методом механохимии может способствовать получению абсолютно новых препаратов функциональных материалов, отличных от выделяемых из необработанных каустобиолитов. Поэтому большой интерес представляет исследование изменений в результате механоактивации физико-химических свойств основных реакционно-способных компонентов.

Цель представляемой работы – исследование влияния процесса механоактивации на структуру и компонентный состав торфа ЕвроАрктического и Сибирского регионов России.

Экспериментальная часть

Исследуемые объекты предварительно измельчались в дезинтеграторе Nossen 8255 до частиц размером 1–3 мм (частота вращения измельчающих частей 300 оборотов/мин).

Механоактивация (МА) каустобиолитов проводилась в мельнице-активаторе планетарного типа АГО-2С (разработка ИХТТМ СО РАН, г. Новосибирск). Измельчение осуществлялось в поле трёх инерционных сил: двух центробежных и силы Кориолиса. Центробежные силы, действующие на шары и материал, превышали силу тяжести в десятки и сотни раз. Воздействие больших инерционных сил на мелющие тела и обрабатываемый материал в сотни раз убыстряло помол и приводило к механической активации веществ, инициирующей химические взаимодействия в твердой фазе.

В качестве модифицирующего агента при механоактивации использовали гидроксид натрия в виде сухих гранул. Каустобиолиты, благодаря наличию связанной воды, под действием щелочного реагента в процессе механоактивации подвергаются щелочному гидролизу, что может способствовать увеличению выхода модифицированных гуминовых кислот [12].

Режим механохимической активации каустобиолитов выбран исходя из результатов ранее проведенных исследований [12]. Температура обработки 22–25 °С, продолжительность пребывания обрабатываемых веществ в зоне диспергирования – 2 минуты.

Для исследования структуры (морфологии) торфа методом световой микроскопии препараты, диспергированные в дистиллированной воде, просматривали и изображения фотографировали в проходящем свете при помощи лабораторного микроскопа AxioScope A1 (Zeiss) в комплекте с цифровой камерой Canon G10 и лицензионным программным обеспечением AxioVision Release 4.8.

Для анализа группового химического состава торфа различные исследователи применяют ряд методов, среди которых можно выделить методы Инсторфа, Драгунова, аммиачный метод [7, 5]. В большинстве случаев они связаны с использованием концентрированных кислот, щелочей и нагревания, в результате чего происходят существенные изменения в структуре выделяемых веществ. Это в первую очередь касается ГК, которые из-за жесткости методов выделения претерпевают глубокие структурные превращения. Поэтому выделение органических соединений из образцов в представляемом исследовании проводили по комплексной схеме анализа растительного сырья, описанной в работе Стадникова Г.Л. [10]. Из образцов последовательно по схеме, представленной на рис. 1, экстракцией выделяли водорастворимые вещества (ВР) с последующим разделением на полисахариды (ПС) и полифенолы (ПФ), липиды (битумы) и гуминовые вещества (ГВ), которые далее делили на ГК и фульвокислоты (ФК).

Для исследований использовали образцы торфа верхового и низинного типа Томской и Архангельской областей, характеристика которых приведена в таблицах 1 и 2. Изменения структуры торфа в результате механоактивации в мельнице-активаторе планетарного типа АГО-2С характеризуют микрофотоснимки, представленные на рис. 2. В табл. 2 наряду с групповым составом исходных образцов приведены данные по составу органических веществ, извлекаемых различными растворителями из торфа, подвергнутого механической и механохимической активации.

Гидрологические условия и преимущественное развитие определенных растительных ассоциаций обусловливает накопление разного по химическому составу органического вещества торфа, обладающего различной сохранностью. По данным исследователей [11], верховой торф является менее гумифицированным объектом по сравнению с низинным, что хорошо согласуется с представленными в табл. 1 сведениями. При этом следует отметить, что верховой торф месторождения Темное является менее разложившимся по сравнению с торфом месторождения Брусовица, причем оба месторождения характеризуются относительно низкой зольностью торфа – 4,5–5,0 %. Для низинного торфа месторождения Таганское наблюдается более высокое содержание зольных компонентов – 25,5 %.

pic_22.tif

Рис. 1. Схема выделения органических соединений

Таблица 1

Общая характеристика месторождений торфа

Месторождение

Томская область

Архангельская область

Темное

Таганское

Брусовица

Площадь, га

2500

2700

5242

Растительный покров

Сфагнум, пушица, кустарнички

Осока, хвощ, вахта

Сфагнум, пушица, сосна

Рельеф

Грядово-мочажинный

Степень использования

Частично используется

Не используется, 350 га осушено, сгорело; 30 га рекультивировано

Не используется

Глубина залежи, м

5–6

2–3

3–4

Тип залежи

Верховой

Низинный

Верховой

Степень разложения торфа, %

10

30

15–20

Естественная влажность торфа, %

85–90

65-70

92

Зольность торфа, %

5,0

25,5

4,5

Таблица 2

Групповой состав торфа до и после механоактивации

Образец, условия обработки

Содержание, % масс. на органическое вещество

ВР

Липиды

ГК

Негидролизуемый остаток (лигнин Класона)

ПС

ПФ

Верховой торф месторождения Темное, Томская область

Исх.

0,2

1,1

2,8

1,5

16,4

МА

1,0

2,5

1,9

3,9

36,4

МА + 3 %NaOH

1,6

3,0

1,5

8,2

35,8

Низинный торф месторождения Таганское, Томская область

Исх.

0,8

0,3

2,0

2,0

52,4

МА

5,2

2,5

1,6

3,9

53,7

МА + 3 %NaOH

5,6

5,4

1,5

13,4

52,8

Верховой торф месторождения Брусовица, Архангельская область

Исх.

0,36

1,18

1,43

2,40

12,9

МА

0,85

1,70

2,16

4,30

14,9

МА + 3 %NaOH

1,20

5,00

2,00

4,15

13,9

Верховой торф месторождения Брусовица

pic_23.tif pic_24.tif

         а) исходный                             б) механоактивированный

Низинный торф месторождения Таганское

pic_25.tif pic_26.tif

                   в) исходный                   г) механоактивированный

Рис. 2. Микрофотоснимки исходных и модифицированных образцов торфа

Из представленных на рис. 2 микрофотоснимков наглядно видно, что механоактивация приводит к разрушению структуры торфа на клеточном уровне. Это, согласно данным табл. 2, в свою очередь проявляется в увеличении выхода и изменении состава извлекаемых различными растворителями органических компонентов торфа. Механическое воздействие в присутствии щелочных реагентов приводит к значительному росту выхода и еще большим изменениям в составе извлекаемых продуктов.

Анализ результатов свидетельствует, что механоактивация способствует более полному извлечению липидов только из торфа Архангельского месторождения, тогда как из торфа Томских месторождений понижается выход липидной фракции, что, по-видимому, объясняется различиями в их компонентном составе [13]. При МА верхового и низинного торфа в присутствии гидроксидам натрия общее количество жирорастворимых компонентов снижается за счет образования и удаления из их состава ВР веществ. Объяснить это можно, исходя из строения битумных молекул, представляющих собой гликоглицеролипиды. В их состав входят, с одной стороны, длинные гидрофобные углеводородные остатки, а с другой – более компактные гидрофильные фрагменты в виде спиртов, углеводов, кислот, фенолов. Подобные амфифильные молекулы образуют ассоциаты, разрушающиеся в зависимости от типа реагентов и механического воздействия. Также необходимо отметить значительное увеличение выхода водорастворимой фракции – ПС и ПФ. Наибольший эффект МА оказала на образцы низинного торфа. Согласно табл. 2 выход ПС увеличивается в 5 раз после обработки торфа, что свидетельствует о существенном разрушении целлюлозных волокон в процессе МА.

Содержание ГК необработанных торфов увеличивается в ряду ГК Темное – ГК Таганское – ГК Брусовица. После обработки во всех трех типах образцов наблюдается увеличение содержания ГК в 2–5 раз. Известно, что МА торфа влияет на выход ГК, который зависит от типа устройства, среды обработки и вида торфа [1, 9]. Прирост выхода ГК возможен за счет деструкции трудногидролизуемых веществ и уменьшения молекулярной массы компонентов. Обработка торфа в мельнице-активаторе АГО-2С способствует значительному увеличению выхода ГК, особенно для образцов низинного торфа.

Заключение

Механоактивация приводит к разрушению структуры полимерной матрицы торфа на клеточном уровне, что сопровождается значительным увеличением выхода гуминовых кислот в 2–6 раз

Исследования выполнены при поддержке Программы межрегиональных и межведомственных фундаментальных исследований УрО РАН (проект № 12-С-5-1017), российского фонда фундаментальных исследований (проект РФФИ № 12-03-90018-Бел_а), фонда фундаментальных исследований РБ (проект ФФИ РБ Х 12Р–147), Программы ориентированных фундаментальных исследований УрО РАН (проект № 12-5-3-008-АРКТИКА), Программы Президиума РАН № 4 (проект № 12-П-5-1021) с использованием оборудования ЦКП КТ РФ-Арктика, (ИЭПС, ИФПА УрО РАН).

Рецензенты:

Новожилов Е.В., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой биотехнологии Северный (Арктический) федеральный университет, г. Архангельск;

Айзенштадт А.М., д.х.н., профессор, заведующий кафедрой композиционных материалов и строительной экологии, Института строительства и архитектуры С(А)ФУ, г. Архангельск.

Работа поступила в редакцию 26.02.2014.



Библиографическая ссылка

Парфенова Л.Н., Мальцева Е.В., Боголицын К.Г., Боголицын К.Г., Труфанова М.В., Сурсо М.В., Селянина С.Б., Селянина С.Б. ВЛИЯНИЕ МЕХАНОАКТИВАЦИИ НА СТРУКТУРУ И КОМПОНЕНТНЫЙ СОСТАВ ТОРФА ЕВРОАРКТИЧЕСКОГО И СИБИРСКОГО РЕГИОНОВ РОССИИ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 5-1. – С. 44-49;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=33783 (дата обращения: 24.07.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252