Курсовая работа: Сорбируемость меди на бурых углях, сапропелях и выделенных из них гуминовых кислотах
Сорбцию меди, кадмия и свинца изучали в статических условиях из растворов их солей с концентрацией 103 М. Количество сорбированных ионов рассчитывали по формуле:
, мг/мл
С целью перевода испытуемого сорбента в модифицированную форму, позволяющую повысить емкость природного образца, горелую породу обрабатывали растворами щелочи, затем отмывали дистиллированной водой до нейтрального значения pH и проводили сорбцию металлов при нормальных условиях. В процессе модификации значения pH варьировались от 8 до 14. Эксперимент проводили при температуре 20С и в интервале концентраций от 10-3 до 3,1
10-5 М. В результате исследования были получены следующие результаты:
Результаты сорбируемости меди, свинца и кадмия Таблица1
| Сорбируемый Металл | Количество сорбированных ионов,А, мг/мл | |
| Немодиф. | Модиф. | |
| Медь | 10,4 | 14,2 |
| Свинец | 32,6 | 45,5 |
| Кадмий | 17,94 | 19,95 |
По мнению авторов, изученные сорбенты (модифицированная и немодифицированная) порода обладают значительной сорбционной емкостью, что позволяет использовать эти материалы в технологии для доочистки воды.[6].
2.2. Гуминовые кислоты
2.2.1 Методы извлечения и структура гуминовых кислот
2.2.1.1 Гуминовые кислоты сапропелей
ГК сапропелей — вещества, извлекаемые растворами щелочей, представляют большой интерес в научном и практическом плане. Содержание гуминовых веществ изменяется в пределах 17-62%, причем они более чем наполовину состоят их гуминовых кислот. ГК сапропелей отличаются от торфяных и угольных даже по внешним признакам, поэтому некоторые исследователи называют их "белым гумусом". В составе сапропелевых ГК больше водорода и азота, что связано с особенностями исходного биологического материала, обогащенного белковыми и жировыми веществами. Аминокислоты входят как непременный компонент во все гуминовые и фульвокислоты. Аминокислота, непосредственно связанная с фенольными кольцом, не отщепляются при гидролизе при обычных условиях, что говорит о структурной роли аминокислот в построении гуминовых веществ. Другой источник азота – порфирины. Их особенность – содержание пятичленных пиррольных циклов, которые могут участвовать в гумификации. Сочетанием химических и инструментальных методов исследования было показано, что гуминовые кислоты сапропелей, в отличие от ГК почв, торфов и углей, представлены в основном гидролизуемым полипептидно-углеводным комплексом (16 аминокислот и 5 углеводов (в сочетании с соединениями жирного ряда при малом количестве простых ароматических единиц.
Гуминовые кислоты сапропелей – это смесь кислых веществ биохимического превращения исходной биомассы водоема, представляющую собой группу природных аморфных поликарбоновых кислот с разнообразным содержанием полифункциональных групп (аминовых, амидных, карбоксильных, карбонильных, фенольных гидроксилов), растворимых, в основном, в щелочных растворах и выпадающих в осадок при подкислении раствора (до рН=1) минеральными кислотами из-за угнетения диссоциации слабых органических кислот. Гуматы (соли ГК) щелочных металлов растворимы в воде, гуматы остальных металлов нерастворимы. ГК термически нестойки, в термическом интервале 100-200 0 С они декарбоксилируются и теряют растворимость. Удельная поверхность ГК примерно 900 м2 /г, что сравнимо с удельной поверхностью активированного угля. При высушивании – это аморфный (или псевдокристалический) порошок темно-коричневого или черного цвета. В связи с высоким содержанием алифатических структур молекулы ГК очень гидролизованы и удерживают при растворении большое количество (от 14 до 20 г/г) связанной воды, вследствие чего уже при конденсации 3-4% ГК в растворе система представляет собой пасту. С увеличением концентрации ГК стабильность раствора сохраняется при повышении реакции среды (рН) с 3,0 для 1%-ного раствора, 6,0 – для 2% раствора, 7,0 – для 3% - ного. При понижении рН растворы приобретают вид коллойдных систем. В кислой среде вместе с гуминовыми кислотами выпадают в осадок и гиматомелановые кислоты (ГМК). Они растворяются при обработке осадка этанолом, образуя вишнево-красный раствор. Долгое время гиматомелановые кислоты включали в группу ГК. Сейчас имеется достаточно информации для выделения ГМК в особую группу. Тем не менее, информация о ГМК сапропелей в литературе отсутствует. В работах Орлова можно найти информацию о ГМК почв. Все ГМК почв обеднены углеродом по сравнению с ГК. Это связано с повышенной долей водорода в молекулах ГМК.
Для изучения структурных особенностей ГК широко используются методы деструкции, по характеру воздействия подразделяющиеся на две группы: методы гидролиза, затрагивающие периферийную часть молекулы, и методы жесткой деструкции, разрушающие ядро. Выявлено,[8] что содержание растворимой фракции при гидролизе ГК 2%-ным раствором НС1 составляет 25-54% на 0В и является более высоким для ГС сапропелей слабопроточных водоемов с преобладанием водорослевых остатков. В гидролизатах идентифицированы моносахариды (глюкоза и галактоза) и дисахариды (сахароза, мальтоза и лактоза), а также 15 аминокислот.
ГК сапропелей характеризуются высокой зольностью, основу которой составляет кремнезем. Впрочем, кремний может входить и в состав органоминерального комплекса ГК, хотя главная часть SiO2 , по-видимому, соизвлекается щелочным раствором вместе с ГК. Минеральные компоненты ГК представлены алюминатами, силикатами, высокодисперсными легкопептизируемыми глинистыми минералами.
Для ГК сапропелей характерно взаимодействие с железом, кальцием, микроэлементами. Выявлен обменный характер связи кальция, магния и ряда микроэлементов с ГК. Доказаны две формы связи железа (ковалентная, ионная); при этом основная часть Fе (50-60%) и Са (50-70%) связана с высокомолекулярной фракцией ГК.
ГК склонны к образованию соединений с некоторыми минералами сапропелей (каолинитом и монтмориллонитом) адсорбционных соединений с карбонатами, в частности, с кальцитом и арагонитом, ингибируя тем самым процесс их осаждения. При этом важную роль при взаимодействии ОВ с поверхностью карбоната играют аминокислоты. На поверхности частиц СаСОз преимущественно адсорбируются лишь ГК и ФК, обогащенные дикарбоновыми кислотами (аспарагиновой и глутаминовой), тогда как на поверхности других минералов — кварца, глин — адсорбируются ГВ, содержащие аминокислоты основного характера (глицин, аланин).[7].
2.2.1.2 Гуминовые кислоты бурых углей
Исследование состава и свойств гуминовых кислот бурых углей и торфов приобретает все большее значение в связи с широким их применением в ряде отраслей народного хозяйства. Образец гуминовых кислот был приготовлен по стандартной методике из угля Хандинского месторождения с содержанием гуминовых кислот 52%. Метод приготовления ГК заключается в предварительной деминерализации пробы угля 5%-ным раствором НСl отмывке ее от ионов хлора и дальнейшей обработке угля 1%-ным NaOH, отделение твердой фазы и в последующей обработке раствором НСl (5%) для выделения свободных ГК в твердую фазу, повторном промывании ГК от ионов хлора и высушивании до постоянного веса.
Перед постановкой опытов образец ГК вывдерживали в термостате при 60 градусах в течение 1,5-2 ч.для удаления влаги. Опыты проводили в колбах (100мл) с притертой пробкой.Отношение адсорбента к раствору адсорбата составляло 1:25. По истечению заданного времени адсорбент отделяли от раствора фильтрованием через фильтр с синей лентой. В фильтрате определяли остаточную концентрацию металла атомно-абсорбционным методм. Проведенные исследования показали, что ионное равновесие наступает через 3 ч контакта фаз. В результате адсорбци понижается величина рН раствора вследсвтие обмена ионов металла с водородом карбоксильной группы.Адсорбция ионов металлов на ГК в сернокислой среде протекает несколько лучше, чем в солянокислой. [10].
2.2.2 Важнейшие функции гумусовы веществ в биосфере
Эти частные примеры приводят к необходимости выявления и формулирования важнейших функций гумусовых кислот в биосфере. В наиболее общей форме можно говорить о пяти важнейших функциях: аккумулятивной, транспортной, регуляторной, протекторной и физиологической. Их совокупность позволяет достаточно полно понять экологическую роль гумусовых веществ.
Аккумулятивная функция заключается в накоплении в почвах (и в других самостоятельных природных телах) в форме органических соединений углерода; азота, фосфора, других необходимых для жизнедеятельности элементов, включая микроэлементы. Аккумулятивную функцию не следует рассматривать, как пассивное складирование элементов питания, поскольку накопление может происходить и в почвенных растворах. Может быть, с этих позиций стоило бы выделить еще одну функцию – мобилизационную, но думается, что она перекрывается двумя другими – аккумулятивной и регуляторной.
Транспортная функция заключается в формировании геохимических потоков минеральных и органических веществ, преимущественно в водных средах за счет формирования устойчивых, но сравнительно легкорастворимых (или пептизируемых) комплексных соединений гумусовых кислот с катионами металлов, гидроксидами, некоторыми биоорганическими молекулами или образования адсорбционных соединений гумусовых кислот со слоистыми алюмосиликатами. Именно в таких формах, по-видимому, мигрирует в почвенном профиле и в ландшафтах преобладающая часть органических и неорганических соединений.
Регуляторная функция гумусовых кислот сложна и многопланова. К ней можно отнести:
1. Формирование почвенной структуры и водно-физических свойств почвы;
2. Регулирование равновесий в реакциях ионного обмена, кислотно-основных, окислительно-восстановительных процессах;
3. Регулирование условий минерального питания растений за счет влияния гумусовых веществ на растворимость минеральных компонентов и доступность живым организмам;
4. Регулирование теплового режима почв путем влияния на спектральную отражательную способность почв, на теплоемкость и теплопроводность почвенной массы;
5. Регулирование процессов внутрипочвенной дифференциации химического состава (внутри- и межгоризонтной).
Протекторная функция заключается в способности гумусовых веществ связывать в малоподвижные или труднодиссоциирующие соединения токсичные элементы или соединения. Выше говорилось, что гумусовые кислоты способны снять неблагоприятное влияние пестицидов на культурные растения. Экспериментально показано, что в почвах с большим запасом гуминовых кислот, гумина резко повышаются предельно допустимые концентрации тяжелых металлов; негативное влияние последних на растения проявляется при значительно более высоком содержании, чем в малогумусных почвах. Снимается и негативное влияние избыточных доз минеральных удобрений. В труднодоступные растениям формы соединений связываются не только тяжелые металлы, но и некоторые радиоактивные изотопы, например стронций. Протекторная функция охватывает не только системы почва – растение, но и другие компоненты ландшафта. Так, было показано, что почвы, особенно хорошо гумусированные, выполняют роль геохимического барьера и предупреждают поступление в грунтовые воды многих веществ. Почвенный покров может удерживать значительное количество катионов и анионов и тем самым поддерживать длительное время качество питьевых вод на хорошем уровне, даже в условиях техногенного загрязнения.
Физиологическая функция гумусовых веществ обсуждена выше. Отметим, что ее проявления весьма разнообразны, но изучены явно недостаточно.
При обсуждении гумусовых веществ в биосфере не были упомянуты такие важные аспекты, как их участие в формировании состава атмосферы, потока газов, направленного от почвы в атмосферу, с чем, в частности, может быть связано и появление парникового эффекта. Не упомянуты и многие другие важнейшие природные механизмы, но этому должна быть посвящена специальная монография. Здесь же важно подчеркнуть, что даже не полностью перечисленные функции гумусовых веществ отражают ведущую роль этих соединений во многих экологических связях и соотношениях и позволяют считать, что гуминовые кислоты – не случайный продукт «перегнивания» растительных и других остатков, а необходимый и неотъемлемый компонент системы почва – растение, сформировавшийся в результате совместной и единой эволюции живого и среды обитания, отражающий неразрывное единство этой системы.
Несмотря на недостаточную изученность гумусовых кислот в целом, за последние 10 – 20 лет появились новые материалы и накоплено много оригинальных данных, раскрывающих структуру ГК и ФК. Этому способствовало внедрение новых оригинальных методов для изучения гумусовых кислот. К таким методам относятся новые совершенные модификации ядерного магнитного резонанса, различных видов хроматографии, пиролитических методов, масс-спектрометрии. Существенно меняются представления в области молекулярных пераметров гумусовых кислот, молекулярно-массового распределения, формирования органо-минеральных соединений с участием гумусовых кислот. Все это требует дальнейшего обобщения и осмысления богатого, а зачастую и противоречивого экспериментального материала.[7]. По А.И. Горовой, физиологическая активность гумусовых веществ наиболее полно проявляет себя при неблагоприятных воздействиях. Физиологическая активность гумусовых веществ важна и интересна не только с агрономических или медицинских позиций. Это свойство заставляет задуматься о природе физиологического действия, а следовательно, о строении, молекулярных формулах гуминовых кислот (ГК) и фульвокислот (ФК). Высокая и многопрофильная активность ГК и ФК обусловлена прежде всего больших набором функциональных групп, причем не только таких обычных, как карбоксильные, фенольные, спиртовые, но также хинонные, аминные, амидные, способные к образованию электровалентных и ковалентных связей, внутрикомплексных соединений. Эти группы обеспечивают регулирование соотношения свободных и комплексных ионов как в почвенном растворе, так и во внутриклеточной среде. Разнообразие и сложность функций, несомненно, связаны с полихимизмом гумусовых кислот, молекулы которых различаются по размерам, а функциональные группы образуют спектр соединений, различающихся по прочности связей и ближайшему окружению удерживаемых катионов металлов. Полидисперсность и полифункциональность обеспечивают высокую буферность гумусовых систем в отношении кислотно-основных, окислительно-восстановительных и многих других реакций.
Такая система неизбежно должна активно регулировать геохимически потоки металлов и некоторых органических соединений в биосфере. Отталкиваясь от физиологической активности ГК и ФК, мы неизбежно приходим к представлениям о единстве живого и гумуса в понимании В.И. Вернадского, к положению о неизбежном формировании системы гумусовых веществ, обеспечивающей современные формы наземной жизни.
Функции органических соединений в почвах разнообразны, а зачастую и противоречивы. Низкомолекулярные вещества обычно легко доступны микроорганизмам и участвуют в процессах мобилизации минеральных составляющих почвы, извлекая многие элементы из труднорастворимых соединений. Гуминовые кислоты выполняют в значительной мере консервативную роль, придавая почвам устойчивые признаки, существующие длительное время и обусловливая их многие важнейшие свойства и функции: запас гумуса, емкость, емкость катионного обмена и пр.
Устойчивые запасы гумуса в почвах обусловлены, прежде всего, гуминовыми кислотами и гумином. Отсюда вытекает общая принципиальная установка: для накопления в почвах гумуса недостаточно привнесения в почву дополнительных количеств органического вещества, будь то в форме растительных остатков, навоза или других органических материалов. Одновременно с внесением должны быть созданы условия, обеспечивающие возможно полную гумификацию органических соединений, т.е. превращение их преимущественно в гуминовые кислоты или в гумин. Это обусловливает важнейшую задачу одновременного и сопряженного изучения строения гуминовых кислот и процесса гумификации. Сопряженный анализ позволяет не только точно и глубоко отвечать на теоретические вопросы, но и разрабатывать эффективные мелиоративные приемы с использованием органических удобрений.
Забота только об устойчивых, консервативных свойствах и фракциях почвенного гумуса явно недостаточна при решении задач повышения плодородия и биологической продуктивности.