CC BY
325
УДК 631.417.2:54-414
В.М. Пузырева, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-37-60, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
Ю.Л. Демичева, ассист., (4872) 35-37-60 БетюИеуа [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ГУМИНОВЫЕ ВЕЩЕСТВА КАК ПРИРОДНЫЕ СОРБЕНТЫ
Дана характеристика гуминовым веществам, приведена их классификация, описан химический состав, перечислены основные источники происхождения и основные функции гуминовых веществ в биосфере, представлены результаты экспериментальных исследовании по очистке морской воды от нефтепродуктов с помощью гуми-новой кислоты.
Ключевые слова: гуминовые кислоты, морская вода.
Гуминовые вещества (ГВ) - это сложные смеси устойчивых к биодеструкции высокомолекулярных темноокрашенных органических соединений природного происхождения, образующихся при разложении растительных и животных остатков под действием микроорганизмов и абиотических факторов среды [1]. ГВ представляют собой макрокомпоненту органического вещества почвенных и водных экосистем, а также твердых горючих ископаемых. Общепринятая классификация ГВ [2] основана на различии в растворимости в кислотах и щелочах. Согласно этой классификации ГВ подразделяют на три составляющие: гумин - неизвле-каемый остаток, нерастворимый ни в щелочах, ни в кислотах; гуминовые кислоты (ГК) - фракция ГВ, растворимая в щелочах и нерастворимая в кислотах (при pH < 2); фульвокислоты (ФК) - фракция ГВ, растворимая и в щелочах, и в кислотах. В качестве обобщающего названия, обозначающего как гуминовые, так и фульвокислоты, применяют термин "гумусовые кислоты". Гумусовые кислоты являются наиболее подвижной и реакционноспособной компонентой ГВ, активно участвующей в химических процессах, протекающих в экосистемах [2].
Синтез ГВ происходит по принципу естественного отбора наиболее устойчивых к биоразложению структур, время жизни которых в окружающей среде исчисляется сотнями и тысячами лет [1, 2]. Как следствие, к фундаментальным свойствам гуминовых веществ относятся нестехиомет-ричность состава, нерегулярность строения, гетерогенность структурных элементов и полидисперсность. По мере исследования состава и строения ГВ было установлено, что дииапазон вариаций граничных значений атомных отношений основных конституционных элементов - С, Н, О и N не настолько широк. При этом он довольно закономерно изменяется в соответствии с источником происхождения ГВ: максимальное содержание кислорода и, следовательно, кислородсодержащих функциональных групп
наблюдается в ГВ вод, которое снижается в ряду: воды - почвы - торф -уголь. В этом же ряду нарастает содержание ароматического углерода [2].
Кроме того, для ГВ из различных источников происхождения характерен единый принцип строения: наличие каркасной части, т.е. ароматического углеродного скелета, замещенного алкильными и функциональными группами, среди которых преобладают карбоксильные,
гидроксильные и метоксильные, и периферической части, обогащенной полисахаридными и полипептидными фрагментами. По этой причине ГВ занимают одну из самых высоких ступенек в иерархии сложности строения природных органических соединений, превосходя нефти, лигнины и угли.
В силу сложности строения, уникально широк спектр взаимодействий, в которые могут вступать ГВ и, в особенности, их наиболее реакционноспособная часть - гумусовые кислоты. Наличие таких групп как карбоксильная, гидроксильная, карбонильная в сочетании с присутствием ароматических структур обеспечивает способность гумусовых кислот вступать в ионные и донорно-акцепторные взаимодействия, образовывать водородные связи, активно участвовать в сорбционных процессах. Так, гумусовые кислоты хорошо связывают воду, способны к ионному обмену, образуют комплексы с металлами и аддукты с различными классами органических соединений.
Обладая указанными свойствами, ГВ выполняют целый набор важных биосферных функций. К их числу относятся структурообразующая роль в почве, накопление питательных элементов и микроэлементов в доступной для растений форме, регулирование геохимических потоков металлов в водных и почвенных экосистемах. К концу двадцатого века, одной из основных проблем которого является химическое загрязнение окружающей среды, добавилась еще и протекторная функция. Под протекторным действием гумусовых кислот подразумевают их способность связывать в прочные комплексы как ионы металлов, так и органические экотоксиканты в загрязненных водных и почвенных средах [2]. Экологические последствия такого связывания - изменение форм существования экотоксикантов и их миграционной способности, уменьшение биодоступности и токсичности. Последнее обстоятельство весьма важно и связано с тем, что максимальной активностью обладает свободная форма токсиканта. Связанное вещество свою токсичность теряет. На этом основании гумусовые кислоты рассматривают как природные детоксиканты.
Существующие основные источники гуминовых веществ можно расположить в следующий ряд в порядке увеличения содержания в них ГВ: морские воды (до 1 мг/л), речные воды (до 20 мг/л), болотные воды (до 300 мг/л), почвы (1-12 %), торфа (до 40 %), бурые угли (до 85 %) [2]. Наи-
большее количество извлекаемых ГВ (до 85 %), представленных фракциями гуминовых (ГК) и фульвокислот (ФК), содержится в буром угле лео-нардите, поэтому последний широко используется для их получения. Дополнительными фактами, способствующим использованию леонардита, являются, с одной стороны, присутствие его пластов в большинстве месторождений бурых углей, а, с другой стороны, низкая теплотворная способность леонардита вследствие чего он обычно поступает в отвалы. Таким образом, основным источником гуминовых веществ являются отходы добычи бурого угля.
Одним из перспективных направлений использования ГВ является рекультивация загрязненных сред. Наличие таких групп как карбоксильная, гидроксильная, карбонильная в сочетании с присутствием ароматических структур обеспечивает способность гумусовых кислот вступать в ионные и донорно-акцепторные взаимодействия, образовывать водородные связи, активно участвовать в сорбционных процессах. Кроме того, ГВ способны к ионному обмену, образуют комплексы с металлами и аддукты с различными классами органических соединений. Связывание токсикантов приводит снижению концентрации их свободной формы и, как следствие, уменьшению токсичности. Поэтому ГВ выступают в качестве природных детоксицирующих веществ, что делает их перспективными препаратами для рекультивации территорий, загрязненных органическими веществами, в том числе ПАУ и нефтепродуктами, а также тяжелыми металлами.
Наряду со связывающими ГВ обладают выраженными поверхностно-активными свойствами, что позволяет использовать их как агенты, увеличивающие растворимость гидрофобных органических веществ, включая нефтепродукты. Поэтому ГВ могут быть использованы как основа для растворов, предназначенных для промывания водоносных горизонтов, загрязненных ароматическими органическими веществами. В отличие от синтетических ПАВ, обычно используемых для этих целей, при получении ГВ не используются токсичные вещества. Кроме того, гуминовые препараты не являются ксенобиотиками, т. е. их использование не наносит ущерба окружающей среде.
В связи с тем, что особую актуальность имеют вопросы очистки морских вод от нефтепродуктов, нами были поставлены серии опытов на модельных растворах морской воды с солесодержанием 35 г/л. Пробы обработанные ГК выдерживались в течение 7, 10 и 14 суток. Результаты представлены в таблице.
Содержание нефтепродуктов в образцах после 7 и 14 дней выдержки
Начальная концентрация нефтепродуктов в пробе, мг/л Конечное содержание нефтепродуктов, мг/л
Концентрации гуминовой кислоты 3 %
7 суток 10 суток 14 суток
22 7,8 1,4 0,7
186 47,5 12,4 5,7
246 84,0 20,8 8,0
Таким образом, экспериментально установлено, что эффективность очистки воды с высоким солесодержанием лежит в интервале 65 %; 92 % и 96 % при времени выдержки 7, 10 14 суток соответственно.
Список литературы
1. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. М.: Изд-во МГУ, 1990. 325с.
2. Орлов Д.С. Химия почв. М.: Изд-во МГУ, 1992. 259c.
V. Puzireva, Y. Demicheva
Humic substances is like nature sorbents
Characteristics of humic substances, their classification, chemical condition, basic sources of provenance and basic function in biosphere are analyzed at the paper. Experimental researcher results by cleaning sea water for oil products with using humic acid are discussed.
Key words: humic acids, sea water.
Получено 22.09.10
