Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ ТОРФА НА ВЫХОД И ГРУППОВОЙ СОСТАВ БИТУМОВ

Орлов А.С. 1 Зубов И.Н. 1 Ярыгина О.Н. 1 Селянина С.Б. 1 Татаринцева В.Г. 1 Труфанова М.В. 1
1 ФГБУН Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики имени академика Н.П. Лаверова Российской академии наук
Стабильный рост мировой потребности в биологически активных компонентах природного происхождения делает поиск новых возобновляемых источников таких соединений важной научно-исследовательской задачей. В данной работе авторами рассмотрены вопросы, посвящённые особенностям получения из возобновляемого сырья – верхового торфа битумов, состав которых представлен широким спектром биологически активных веществ, таких как парафиновые, терпеновые, ароматические углеводороды и различные кислородсодержащие соединения (спирты, кислоты, эфиры). С позиции современных представлений о торфе как о гетеропористой системе, изучено влияние влажности и степени разложения исходного сырья на выход и групповой состав экстрактивных веществ. Установлено, что вариативность содержания влаги, доля которой даже у отжатого торфа может достигать 80–100 %, приводит к существенным изменениям в количественном соотношении извлекаемых отдельных групп компонентов битумов (воски). Показана обратная зависимость степени извлечения битуминозных компонентов от влажности торфа, обусловленная экранирующим эффектом физически и физико-химически связанной влаги, которая препятствует диффузии неполярного растворителя в структуру торфа и таким образом снижает эффективность экстракции. 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.
верховой торф
степень разложения
влажность торфа
экстрактивные вещества
битумы торфа
торфяной воск
1. Белькевич П.И. Битумы торфа и бурого угля / П.И. Белькевич, Н.Г. Голованов, Е.Ф. Демидович. – Минск: Наука и техника, 1989. – 127 с.
2. Позняк В.С., Раковский В.Е. Содержание битумов в торфах и их состав // Труды института торфа. – 1957. – Т. 6. – С. 88–95.
3. Селянина С.Б. Экстракция битумов из верхового торфа / С.Б. Селянина, Л.Н. Парфёнова, М.В. Труфанова, К.Г. Боголицын, Е.В. Мальцева, М.В. Богданов, О.Н. Ярыгина // Arctic Environmental Research. – 2013. – № 1. – С. 43–50.
4. Коржов Ю.В., Коронатова Н.Г. Состав гексан-хлороформного экстракта верховых торфов южной тайги Западной Сибири // Химия растительного сырья. – 2013. – № 3. – С. 213–220.
5. Серебренникова О.В. Состав экстрактивных веществ торфов осушенных и ненарушенных верховых болот Беларуси и Западной Сибири / О.В. Серебренникова, Е.Б. Стрельникова, Ю.И. Прейс, Н.Г. Аверина, Н.В. Козел, Н.Н. Бамбалов, В.А. Ракович // Известия ТПУ. Химия и химические технологии. – 2014. – Т. 325. № 3. – С. 31–45.
6. Серебренникова О.В. Сравнительный анализ химического состава битуминозных компонентов низинных торфов двух болотных экосистем / О.В. Серебренникова, Е.Б. Стрельникова, М.А. Дучко, Н.Г. Аверина, Н.В. Козел // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 12. – С. 112–117.
7. Платонов В.В., Горохова М.Н. Особенности химического состава органической массы торфов и биологическая активность препаратов на их основе // Вестник новых медицинских технологий. – 2016. – Т. 10. № 2. – С. 21–49.
8. Селянина С.Б. Биологически активные экстракты верхового торфа Европейского Севера России / С.Б. Селянина, М.В. Труфанова, С.А. Забелина, М.В. Богданов, К.Г. Боголицын, Т.В. Соколова, В.П. Стригуцкий, Т.И. Пономарева, О.Н. Ярыгина, А.С. Орлов // Вестник РФФИ. – 2016. – № 1. – С. 33–39.
9. Кашинская Т.Я. Влияние технологий добычи на качество торфа как битуминозного сырья // Природопользование. – 2015. – Вып. 27. – С. 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. – P. 786–794.
11. Белоглазов И.Н. Твердофазные экстракторы: Инженерные методы расчета. – Л.: Химия, 1985. – 240 с.
12. Архипов В.С. Определение адсорбционной способности торфа по метиленовому голубому // Методические указания к выполнению лабораторных работ. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 28 с.
13. Селянина С.Б. Особенности биотрансформации органических веществ в условиях болотных экосистем Севера (на примере Иласского болотного массива) / С.Б. Селянина, М.В. Труфанова, О.Н. Ярыгина, А.С. Орлов, Т.И. Пономарева, К.В. Титова, И.Н. Зубов // Труды Института биологии внутренних вод РАН. – 2017. – № 79 (82). – С. 200–206.
14. ГОСТ 11305-83. Торф. Методы определения влаги. Введ. 1984-01-01. Изд-во стандартов. 1983. – 9 с.
15. Лиштван И.И. Взаимодействие битумной и гуминовой составляющей торфа / И.И. Лиштван, А.Р. Цыганов, А.Э. Томсон, В.П. Стригуцкий, Т.В. Соколова, В.С. Пехтерева, С.Г. Прохоров, С.Б. Селянина, М.В. Труфанова // Химия твердого топлива. – 2017. – № 5. – С. 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.


Библиографическая ссылка

Орлов А.С., Зубов И.Н., Ярыгина О.Н., Селянина С.Б., Татаринцева В.Г., Труфанова М.В. ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ ТОРФА НА ВЫХОД И ГРУППОВОЙ СОСТАВ БИТУМОВ // Успехи современного естествознания. – 2018. – № 1. – С. 120-124;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36661 (дата обращения: 16.06.2021).

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 = 1.074