Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

THE INFLUENCE OF THE MOISTURE CONTENT OF PEAT ON THE YIELD AND GROUP COMPOSITION OF BITUMENS

Orlov A.S. 1 Zubov I.N. 1 Yarygina O.N. 1 Selyanina S.B. 1 Tatarintseva V.G. 1 Trufanova M.V. 1
1 N. Laverov Federal Center for Integrated Arctic Research
The search of new revolving sources of natural biological active substances is an important scientific goal which is conditioned by stable growth of worldwide need. This article deals with obtaining of bitumens the composition of which is represented by a wide range of biological active substances from the high-moor peat as paraffin, terpenic, aromatic hydrocarbons and various oxygen–containing compounds (alcohols, acids, ethers). The influence of humidity and decomposition grade of the peat on yield and group composition of extractive substances was studied from the perspectives that the peat is a heteroporous system. It was established that different humidity content of a capillary–porous structure of the peat, which could reach 80 % even in drained off peat structure, leads to essential changes of quantitative component ratio of bitumens (waxes). The inverse dependence of the extraction grade on peat humidity is shown. It’s determined by a protective effect of chemically– and physico–chemically bonded moisture which prevents diffusion of the nonpolar solvent into the peat structure and thus decreasing the efficiency of extraction. The yield of extractive substances is about 0,5–3,5 %. As for content of waxes, which are the most lipophilic part of the peat bitumens, it increases from 13 % to 60 % whereas humidity is about 86–12 %. This relation is not linear and from sample humidity 30–35 % it becomes gradually aligned. Thus, to obtain the extracts of peat bitumens enriched with waxes, raw material drying until humidity content becomes about 35 % is recommended. This is more economical way of sample preparation than full drying process.
high-moor peat
decomposition grade
peat humidity
extractive substances
bitumens of peat
peat wax
1. Belkevich P.I. Bitumy torfa i burogo uglja / P.I. Belkevich, N.G. Golovanov, E.F. Demidovich. Minsk: Nauka i tehnika, 1989. 127 р.
2. Poznjak V.S., Rakovskij V.E. Soderzhanie bitumov v torfah i ih sostav // Trudy instituta torfa. 1957. T. 6. рр. 88–95.
3. Seljanina S.B. Jekstrakcija bitumov iz verhovogo torfa / S.B. Seljanina, L.N. Parfjonova, M.V. Trufanova, K.G. Bogolicyn, E.V. Malceva, M.V. Bogdanov, O.N. Jarygina // Arctic Environmental Research. 2013. no. 1. рр. 43–50.
4. Korzhov Ju.V., Koronatova N.G. Sostav geksan-hloroformnogo jekstrakta verhovyh torfov juzhnoj tajgi Zapadnoj Sibiri // Himija rastitelnogo syrja. 2013. no. 3. рр. 213–220.
5. Serebrennikova O.V. Sostav jekstraktivnyh veshhestv torfov osushennyh i nenarushennyh verhovyh bolot Belarusi i Zapadnoj Sibiri / O.V. Serebrennikova, E.B. Strelnikova, Ju.I. Prejs, N.G. Averina, N.V. Kozel, N.N. Bambalov, V.A. Rakovich // Izvestija TPU. Himija i himicheskie tehnologii. 2014. T. 325. no. 3. рр. 31–45.
6. Serebrennikova O.V. Sravnitelnyj analiz himicheskogo sostava bituminoznyh komponentov nizinnyh torfov dvuh bolotnyh jekosistem / O.V. Serebrennikova, E.B. Strelnikova, M.A. Duchko, N.G. Averina, N.V. Kozel // Fundamentalnye issledovanija. 2014. no. 12. рр. 112–117.
7. Platonov V.V., Gorohova M.N. Osobennosti himicheskogo sostava organicheskoj massy torfov i biologicheskaja aktivnost preparatov na ih osnove // Vestnik novyh medicinskih tehnologij. 2016. T. 10. no. 2. рр. 21–49.
8. Seljanina S.B. Biologicheski aktivnye jekstrakty verhovogo torfa Evropejskogo Severa Rossii / S.B. Seljanina, M.V. Trufanova, S.A. Zabelina, M.V. Bogdanov, K.G. Bogolicyn, T.V. Sokolova, V.P. Striguckij, T.I. Ponomareva, O.N. Jarygina, A.S. Orlov // Vestnik RFFI. 2016. no. 1. рр. 33–39.
9. Kashinskaja T.Ja. Vlijanie tehnologij dobychi na kachestvo torfa kak bituminoznogo syrja // Prirodopolzovanie. 2015. Vyp. 27. рр. 198–205.
10. Naiyer Shahzad, Wajahatullah Khan, Shadab M.D., Asgar Ali, Sundeep Singh Saluja, Sadhana Sharma, Faisal A. Al-Allaf, Zainularifeen Abduljaleel, Ibrahim Abdel Aziz Ibrahim, Ali Fathi Abdel-Wahab, Mohamed Abdelaziz Afify, Saeed Saeed Al-Ghamdi. Phytosterols as a natural anticancer agent: Current status and future perspective/ Biomedicine & Pharmacotherapy. 2017. Vol. 88. рр. 786–794.
11. Beloglazov I.N. Tverdofaznye jekstraktory: Inzhenernye metody rascheta. L.: Himija, 1985. 240 р.
12. Arhipov V.S. Opredelenie adsorbcionnoj sposobnosti torfa po metilenovomu golubomu // Metodicheskie ukazanija k vypolneniju laboratornyh rabot. Tomsk: Izd-vo Tomskogo politehnicheskogo universiteta, 2011. 28 р.
13. Seljanina S.B. Osobennosti biotransformacii organicheskih veshhestv v uslovijah bolotnyh jekosistem Severa (na primere Ilasskogo bolotnogo massiva) / S.B. Seljanina, M.V. Trufanova, O.N. Jarygina, A.S. Orlov, T.I. Ponomareva, K.V. Titova, I.N. Zubov // Trudy Instituta biologii vnutrennih vod RAN. 2017. no. 79 (82). рр. 200–206.
14. GOST 11305-83. Torf. Metody opredelenija vlagi. Vved. 1984-01-01. Izd-vo standartov. 1983. 9 р.
15. Lishtvan I.I. Vzaimodejstvie bitumnoj i guminovoj sostavljajushhej torfa / I.I. Lishtvan, A.R. Cyganov, A.Je. Tomson, V.P. Striguckij, T.V. Sokolova, V.S. Pehtereva, S.G. Prohorov, S.B. Seljanina, M.V. Trufanova // Himija tverdogo topliva. 2017. no. 5. рр. 34–38.

В настоящее время во всем мире наблюдается стабильный рост потребности в биологически активных веществах природного происхождения, а также ведется активный поиск их возобновляемых источников. Таким источником может служить верховой торф, битумная часть которого обладает биологической активностью и составляет до 20 % от массы органического вещества [1–3]. Битумы торфа представлены широким спектром различных по химической природе веществ – парафиновых, терпеновых и ароматических углеводородов, различных кислородсодержащих соединений (спиртов, кислот, эфиров) [4–7]. Высокая биологическая активность компонентов торфяных битумов [8], а также возможность синтеза многочисленных производных на их основе делает перспективным их использование во многих отраслях, в том числе таких высокорентабельных, как медицина и косметология [9; 10]. Благодаря специфичным химическим, физико-химическим и физическим свойствам битумы торфа находят также широкое применение в технике: в модельных составах для точного литья, в антиадгезионных составах, полировочных пастах, в производстве пластмасс и текстильной промышленности [9].

Содержание битумов в торфе зависит от множества факторов: ботанического состава, степени разложения, гидрологического и окислительно-восстановительного режима формирования залежи [1]. При этом степень извлечения и качественный состав веществ, экстрагируемых из твердофазных объектов, определяется природой растворителя, условиями экстракции (температура, физические воздействия), физико-химическим состоянием капиллярно-пористой структуры образца и наличием влаги [11].

Несмотря на то, что влажность свежедобытого верхового торфа достигает 150–170 %, а у отжатого 80–100 %, в работах исследователей не уделяется должного внимания влиянию влажности на выход извлекаемых растворителями различной природы компонентов. При этом влага, находящаяся в структуре торфа, может оказывать существенное воздействие на процесс извлечения компонентов и продуктов деструкции тканей растений-торфообразователей за счет замедления диффузионных процессов, что может приводить к снижению выхода и изменению селективности процесса [11]. Особенности процесса экстракции (как и многих других технологических процессов) могут определяться в значительной мере не только содержанием воды, но и формами ее связи с веществом торфа [12].

Учитывая вышесказанное, представляется актуальным оценить влияние влажности верхового торфа на выход и групповой состав торфяных битумов.

Материалы и методы исследования

В качестве объекта исследования использовали репрезентативные послойно усредненные образцы верхового торфа мохового типа, отобранные согласно [13] из верхней и нижней части залежи с глубин (h) 25–50 см и 100–120 см со степенью разложения (R) 25–30 % и 40–45 % соответственно. Отбор проводили на территории болотного массива грядово-мочажинного типа вблизи г. Мезень (Архангельская обл., Мезенский район, 65 ° 52′ 8.2″ с.ш., 44 ° 14′ 44.3″ в.д.). Растительный покров тестовой площадки представлен в основном сфагновыми мхами (Sphagnum magellanicum, Sphagnum fuscum, Sphagnum angustifolium) и в незначительной степени осокой, кустарничками (Ledum palustre, Vaccinium uliginosum) и отдельно стоящими деревьями сосны (Pinus sylvestris) высотой 0,5–3,5 м.

Влажность варьировали путем постепенного высушивания торфа на воздухе с постоянным усреднением пробы (конвективная сушка) и отбора образцов на разных стадиях обезвоживания:

а) сразу же после механического отжима (85–86 %),

б) через 2 суток (54–64 %),

в) через 10 суток (17–24 %),

г) воздушно-сухих образцов (10–12 %).

Влажность торфа определяли методом высушивания, при температуре 105 ± 2 °С [14]. Выделение битумов торфа проводили экстракцией петролейным эфиром в аппаратах Сокслета. При использовании петролейного эфира наблюдается меньший выход битумов, по сравнению с другими растворителями, однако в них содержится меньшее количество смол [8; 9], что делает его более пригодным для практического применения.

По классификации Раковского [2] битумы торфа аналитически разделяют на воск, смолы и парафины. Поэтому полученные экстракты упаривали в 5–6 раз и охлаждали при 4–5 °С в течение суток. Выпавший кристаллический осадок – торфяной воск отделяли от жидкости на бумажном фильтре. Общий выход экстрактивных веществ и выход воска определяли весовым методом.

Результаты исследования и их обсуждение

Экспериментальные данные представлены на рис. 1. Они наглядно демонстрируют, что влажность оказывает существенное влияние как на суммарный выход торфяных битумов, так и выход воска. Обезвоживание торфа способствует увеличению выхода битуминозных компонентов. Зависимость степени извлечения экстрактивных веществ от содержания влаги в торфе удовлетворительно описывается уравнениями второго порядка с R2 = 0,9405 и R2 = 0,8972 для суммы ЭВ и восковой фракции соответственно.

orl1a.tif

orl1b.tif

а)

б)

Рис. 1. Влияние влажности торфа на а – выход экстрактивных веществ (ЭВ); б – выход восковой фракции: u – h = 25–50 см, R = 25–30 %; u – h = 100–120 см, R = 40–45 %

Данная тенденция прослеживается вне зависимости от степени разложения (в исследуемом интервале). Изменение степени разложения верхового торфа в указанном диапазоне практически не влияет на общий выход битумов и на содержание в них восков. Отчасти это может быть объяснено высокой устойчивостью липидов, которые содержатся в растениях-торфообразователях и дают начало торфяным битумам [9], а также селективным накоплением битумов относительно других более лабильных компонентов органической части торфа. При этом максимальный выход экстрактивных веществ составил 3,5 %, что несколько превышает значения, ранее полученные для более южных территорий Архангельской области [3; 8; 13]. С одной стороны, это объясняется тем, что в стрессовых условиях Севера растения-торфообразователи стремятся к биосинтезу и накоплению выполняющих защитные функции компонентов, к которым в том числе относятся экстрактивные вещества, а с другой стороны, заторможенностью деструкционных и конденсационных превращений органического вещества торфа в условиях холодного климата [13].

Показано, что присутствие влаги в торфе существенно влияет не только на общий выход экстрактивных веществ, но и на групповой состав экстрактов (рис. 2, а, б).

orl2a.tif

orl2b.tif

а)

б)

Рис. 2. а – влияние влажности на вклад восков в состав ЭВ; б – выход восков от общего количества извлекаемых ЭВ: u – h = 25–50 см, R = 25–30 %; u – h = 100–120 см, R = 40–45 %

При интерпретации полученных данных нельзя не учитывать индивидуальных особенностей взаимодействия отдельных компонентов и структуры торфа. По современным представлениям торф относится к гетеропористым (неоднородно-пористым системам) и представляет собой совокупность переплетений неразложившихся тканей растений-торфообразователей с включениями ассоциатов, которые образуются на основе гуминовых веществ, битумов, лигно-углеводного комплекса и минеральной составляющей торфа и взаимодействуют друг с другом за счет прослоек воды. Гидрофильная поверхность данных ассоциатов является одним из мест локализации физико-химически и физически связанной влаги, которая может служить дополнительным препятствием для доступа олеофильных молекул экстрагента к целевым компонентам [15].

Наличие влаги в структуре торфа, как это уже было сказано выше, может рассматриваться как фактор, препятствующий экстракции липофильных компонентов неполярным растворителем, что подтверждается экспериментально. Выход экстрактивных веществ составил 0,5–3,5 %, а доля восков, которые являются наиболее липофильной фракцией торфяных битумов, в экстрактах увеличивается с 13 % до 68 % в интервале влажности 86–12 %, при этом полученная зависимость не является линейной и постепенно (начиная с влажности образца 30–35 %) выходит на плато. Поэтому для получения экстракта торфяных битумов, обогащенных восками, может быть рекомендовано высушивание сырья до влажности 35 %, что является экономически менее затратным, чем высушивание до воздушно-сухого состояния.

Таким образом, присутствие влаги, доля которой даже в отжатом торфе может достигать 80–100 %, препятствует диффузии неполярного растворителя в гидрофильную капиллярно-пористую структуру торфа и не только снижает эффективность экстракции в целом, но и оказывает влияние на избирательность извлечения отдельных групп компонентов торфяных битумов, что требует более детального изучения. При этом, несомненно, следует учитывать видовое многообразие и изменчивость физико-химических параметров такого сырья, как торф, что обусловлено индивидуальными для каждого региона геоклиматическими условиями формирования торфяной залежи.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 17-45-290682, Министерства образования и науки Архангельской области в рамках проектов № 07-2017-04а и № 17-45-290682.