Новости науки на портале «Научная Россия»

Сибирские химики разработали уникальную технологию извлечения гуминовых веществ из бурого угля

Сибирские химики разработали уникальную технологию извлечения гуминовых веществ из бурого угля
Исследователи определили, что сорбент на основе этого полезного ископаемого может эффективно бороться с различными загрязнителями экосистем — в том числе с тяжелыми металлами и нефтепродуктами

Гуминовые вещества — органические соединения, которые играют важную роль в формировании биосферы Земли и содержатся в торфе, углях и неживой материи почв и водоемов. Сибирские химики разработали уникальную твердофазную технологию извлечения этих веществ из бурого угля, а также определили, что сорбент на основе этого полезного ископаемого может эффективно бороться с различными загрязнителями экосистем — в том числе с тяжелыми металлами и нефтепродуктами, сообщает издание «Наука в Сибири».

В борьбе за плодородие

Повышенный интерес к гуминовым веществам и их производным — гуматам — вызван такими общемировыми тенденциями, как потепление климата и опустынивание. Особенно остро эти проблемы стоят перед странами Юго-Восточной Азии и арабского мира, которые ведут давнюю изощренную борьбу с засухой. 

Для России, значительную часть сельскохозяйственных субъектов которой занимают пустынные и засолённые территории, эта проблема не менее актуальна: на данный момент опустыниванию подвержены в совокупности 50 млн гектаров земель. Наибольший масштаб этот процесс приобрел в Прикаспии, особенно в Калмыкии, где 80 % почв подвержено деградации. 

Причиной снижения плодородия почв является истощение гуминового слоя, который отвечает за удержание питательных веществ и их доставку к корням растений. Обедненная гуминовыми веществами земля, по сути, бесплодна, поскольку полезные микроэлементы в ней не задерживаются, а вымываются дождями и подземными водами. 

В вопросах биоремедиации — восстановления изначальных экологических показателей почвы и воды при ликвидации загрязнений — без гуминовых веществ не обойтись. Их основные функции — сорбция нужных для растений веществ, возобновление многих функций почвы, увеличение всхожести семян и урожайности.

«Клешни» для токсикантов 

Основой всех гуминовых веществ являются гуминовые кислоты (ГК) — сложная смесь высокомолекулярных органических соединений. Функциональные группы в структуре ГК способны образовывать хелаты — циклические комплексные соединения, выполняющие роль своеобразных «клешней». Они крепко «схватывают» загрязнения, причем не только тяжелые металлы, но и некоторые виды органики. Гуминовые кислоты не могут быть синтезированы из других веществ, их можно получить только из природных источников: почвы, торфа и бурых углей. 

«Уголь находится в недрах Земли миллионы лет, торф — десятки тысяч лет, — рассказывает главный научный сотрудник Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, заведующий лабораторией химии твердого тела доктор химических наук Олег Иванович Ломовский. — Большинство активных функциональных групп гуминовых кислот этих твердых ископаемых уже задействованы в химических соединениях различного типа. Наша задача — “очистить” функциональные группы и увеличить их количество за счет образования новых».

Для извлечения гуминовых веществ и изменения их свойств новосибирские ученые применяют механохимическую технологию, которая, в отличие от классических способов экстракции, не предполагает использования растворителей, сушки и последующей работы с отходами. Проведение механохимических реакций в твердой фазе позволяет модифицировать макромолекулы гуминовых кислот, увеличивать в них содержание заданных функциональных групп.

«Наиболее благодарная затея — извлекать гуминовые вещества из уже окисленного природой сырья, например из окисленного бурого угля, — комментирует аспирантка ИХТТМ СО РАН Татьяна Сергеевна Скрипкина. — Во-первых, его всегда в избытке при угледобыче. Во-вторых, он не годится для использования в качестве топлива. И в-третьих, в его составе изначально содержится много гуминовых кислот с повышенной концентрацией кислородсодержащих групп». 

При окислении бурого угля происходит увеличение не только количества функциональных групп, но и содержания растворимых гуминовых кислот. «Исследования при различных режимах, с различными добавками определили оптимальные условия, при которых удается увеличить содержание гуминовых кислот с 23—24 % до 70 % — именно за счет окисления органического вещества», — говорят ученые. 

На земле и под водой 

Исследование сорбционной способности гуминовых кислот проводилось на экологическом стационаре Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН, расположенном в акватории Новосибирского водохранилища, с помощью метода мезомоделирования.

«В водоем погружались трубы из полимера (мезокосмы), ограничивающие участок от поверхности до дна, — рассказывает старший научный сотрудник ИХТТМ СО РАН кандидат химических наук Алексей Леонидович Бычков. — В каждый из них вносились загрязнители — соли кадмия, цинка, меди и кобальта в различных концентрациях. Потом мы добавляли туда гуминовые вещества — простые, сорбированные на носителях, модифицированные — и смотрели, насколько эффективно они выводят токсины». 

В рамках эксперимента в первый опытный мезокосм вносилось 100 граммов сорбента на основе бурого угля, модифицированного механохимическим окислением, во втором использовался бурый уголь, механохимически обработанный с гидроксидом натрия. Третий — контрольный — мезокосм оставался без сорбента. На протяжении 16 суток производился отбор представительных проб для контроля.

Чтобы определить содержание тяжелых металлов в воде, ученые пропускали пробу через мембранный фильтр, учитывая таким образом загрязнители, находящиеся в растворенной и связанной формах. Было показано, что гуминовые кислоты могут сорбировать даже высокие концентрации тяжелых металлов. 

Кроме того, отмечено, что в первые дни фитопланктон подавлялся загрязнителем, но затем приспосабливался и в присутствии обычных гуминовых веществ начинал размножаться. Вода «зацветала». Сорбент на основе окисленных гуминовых веществ, в отличие от классических сорбентов, не вызывал цветения водоема. 

Важная особенность сорбента в том, что он эффективен при очистке не только сильно загрязненной воды с высокой концентрацией тяжелых металлов, но и воды с рассеянными загрязнениями, которые тяжело поддаются сбору и представляют опасность для живых организмов. 

«Данное исследование производилось на водоеме с рассеянными загрязнениями, — подчеркнул Алексей Бычков. — Высокой концентрации тяжелых металлов в российских водоемах, как правило, нет, если не рассматривать “отстойники” и очистные сооружения вблизи промышленных предприятий, большинство из которых должны быть закрыты от людей». 

Еще один показательный эксперимент проводился в центре Новосибирска, на разделительной полосе Каменской магистрали. «Газон, расположенный напротив торгового центра “Аура”, ежедневно испытывает колоссальные нагрузки со стороны транспортного потока, — комментирует Татьяна Скрипкина. — Мы разбили участок на сегменты и вносили туда гуминовые вещества в разных концентрациях, чтобы проверить, как они влияют на озеленение и рекультивацию земли».

На участках с внесением гуминовых продуктов исследователям удалось добиться увеличения массы травы (на 25 %) и ее высоты (на 42 %). На обработанных участках была выше доля злаковых и ниже доля сорняковых трав и, кроме того, значительно улучшилось состояние почвы. К работе были привлечены сотрудники Сибирского научно-исследовательского института кормов, которые подтвердили результаты эксперимента.

Зеленая технология

Изучение технологии активации бурого угля — комплексная работа, в которой помимо сотрудников Института химии твердого тела и механохимии принимали участие их коллеги из Института неорганической химии им. А.В. Николаева и Новосибирского института органической химии им. Н.Н. Ворожцова.

Например, в Центре коллективного пользования НИОХ СО РАН была выполнена аналитическая часть работы: выявлены различия в структуре исходных образцов гуминовых сорбентов и тех, которые получены в результате механохимической обработки. Для этого использовались методы ИК-спектроскопии (пропускание инфракрасного излучения через вещество. — Прим. ред.) и ЯМР-спектроскопии (исследование химических объектов методом ядерного магнитного резонанса. — Прим. ред.).

«Появление полосы карбоксильных групп в ИК-спектре гуминовых кислот механохимически окисленного бурого угля свидетельствует о том, что в результате обработки произошло освобождение функциональных групп гуматов, и они были переведены в форму гуминовых кислот, — прокомментировала заведующая лабораторией микроанализа НИОХ СО РАН кандидат химических наук Вера Дмитриевна Тихова. — ЯМР-спектроскопия показала, что механохимическая обработка гуминовых кислот приводит к увеличению содержания карбоксильных и фенольных групп. Именно эти группы обеспечивают комплексообразующие свойства ГК, и увеличение их содержания лежит в основе создания продуктов для восстановления почвы».

Исследователи уверены, что их технология может использоваться в самых разных областях. «Мы регулярно общаемся с потенциальными инвесторами, — поделился Олег Ломовский, — лейтмотивом наших бесед служат преимущества новой методики перед остальными. Получать гуматы традиционными способами — дело нехитрое: нужно взять корыто, насыпать в него уголь, залить щелочной водой и размешать. Но при этом получится много отходов: 3—7 литров на каждый килограмм гуматов. Механохимическая технология позволяет не только более полно превращать органическое вещество угля в гуминовый продукт, но и значительно уменьшить расход щелочи — примерно в пять раз».

Особые надежды ученые связывают с восстановлением экосистем, загрязненных промышленными отходами. «Надо понимать, что гуминовые кислоты хорошо чистят то, с чем другие сорбенты обычно не справляются, — подчеркнул Олег Ломовский. — Речь идет о высококонцентрированных загрязнениях. Они буквально “за забором”: сотни добывающих предприятий и заводов пустуют, территории хранилищ отходов и нефтегазовых “амбаров” часто не охраняются. Самое печальное, что в доступности находятся водоемы с высокой концентрацией тяжелых металлов. Это недопустимо, и мы должны находить способы с этим бороться».

 

Источник: www.sbras.info

бурый уголь гуматы гуминовые вещества

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий