научная статья по теме ВЛИЯНИЕ МЕХАНОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТОРФА НА СОСТАВ ВЫДЕЛЯЕМЫХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ ЛИПИДОВ ТОРФА Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ МЕХАНОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТОРФА НА СОСТАВ ВЫДЕЛЯЕМЫХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ ЛИПИДОВ ТОРФА»

ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2013, № 5, с. 6-10

УДК 662.73.012

ВЛИЯНИЕ МЕХАНОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТОРФА НА СОСТАВ ВЫДЕЛЯЕМЫХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ ЛИПИДОВ

ТОРФА

© 2013 г. А. В. Савельева, Н. В. Юдина

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии нефти РАН, Томск

E-mail: anna@ipc.tsc.ru Поступила в редакцию 10.12.2012 г.

Приведены исследования состава ароматических углеводородов в липидах торфов различной степени преобразования. Показаны химические превращения моно-, би-, три- и тетрациклических ароматических соединений при механохимическом воздействии на торф.

DOI: 10.7868/S0023117713050101

Состав липидов торфов очень сложен и может быть представлен спиртами, жирными кислотами, эфирами, углеводородами, пигментами, углеводами, фенолами. Компоненты липидов характеризуются высоким содержанием функциональных групп, унаследованных от липидов растений-торфообразователей и преобразованных в результате биохимических процессов в торфяной залежи [1]. Несмотря на структурное многообразие, липиды построены по единому принципу. В состав липидных молекул входят, с одной стороны, длинные углеводородные остатки, отличающиеся низким сродством к воде, а с другой — более компактные гидрофильные группы в виде спиртов, углеводов, кислот, фенолов [2]. Благодаря амфи-фильности, подобные молекулы проявляют значительную тенденцию к агрегированию, что снижает их экстракцию растворителями.

Для решения этой проблемы может успешно применяться механическое воздействие на объект, позволяющее существенно нарушить ли-пидные структуры и повысить эффективность выделения ее компонентов [3]. При механохими-ческой обработке не только достигается разрушение липидных структур, но и обеспечивается предварительный транспорт реагента непосредственно в клетки [4].

Наименее изучены соединения гумусового органического вещества полициклоароматические углеводороды (ПЦА). В современных осадках отсутствуют низкомолекулярные ароматические углеводороды (УВ), а обнаруженный ряд ПЦА представлен главным образом голоядерными

1 Работа выполнена при поддержке Некоммерческой благо-

творительной организации "Благотворительный фонд В. Потанина" (договор о гранте ГТ-02/11 от 30.09.2011 г.).

структурами, такими как ретен, коронен, флюо-рантен, перилен, хризен. Перилены и хризены — это наиболее распространенные углеводороды в гумусовом органическом веществе [5, 6]. Одна из причин появления полиароматических структур в органическом веществе современных осадков — ароматизация стероидов и тритерпеноидов. Некоторые соединения могут образовываться из полиароматических предшественников, которые синтезируются в живых организмах, в том числе в грибах [7—9].

Процесс образования ароматических УВ в ли-пидах торфов является многостадийным превращением органических веществ растений при их гумификации, поэтому несомненный интерес для развития представлений о генезисе гумусовых органических веществ имеют сведения об изменении состава ПЦА торфов при механическом воздействии.

Цель данной работы — исследование ароматических УВ в липидах торфов различной степени преобразования после механохимических превращений.

В качестве объектов исследования были взяты низинный древесно-травяной торф (степень разложения 25 мас. %, зольность 5.2 мас. %) и верховой сфагновый торф (степень разложения 5 мас. %, зольность 3.7 мас. %).

Механохимическую обработку торфа проводили в планетарной мельнице АПФ-4 с дискретным режимом работы [9]. Ускорение воздействующих стальных шаров диаметром 10 мм составляло 200 м/с2, время обработки 2 мин. В качестве реагентов, в присутствии которых проводили механообработку торфа, использовали гидроксид натрия (5% №ОИ) и целлюлозолитический фермент (0.5% целловиридин (ЦВ).

ВЛИЯНИЕ МЕХАНОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТОРФА 7

Влияние условий механообработки на содержание и элементный состав липидов торфов

Условия обработки торфа Содержание, мас. % Содержание, мас. % на daf Отношение

липидов УВ С Н Н/С

Верховой сфагновый торф

Без обработки 1.9 8.0 56.3 7.2 1.53

МО 3.2 7.7 56.6 8.5 1.80

МО + 0.5% ЦВ 2.4 7.5 56.6 7.0 1.48

МО + 3% №ОН 2.5 6.2 55.1 7.6 1.65

Низинный древесно-травяной торф

Без обработки 0.9 6. 62. 8. 1..9

МО 1.7 6.1 64.8 8.3 1.54

МО + 0.5% ЦВ 1.5 6.0 64.1 8.6 1.61

МО + 3% №ОН 1.6 4.2 62.9 9.1 1.74

Липиды из торфов экстрагировали хлороформом в соотношении 1 : 3 [9, 10]. Элементный состав образцов определяли методом сожжения в С,Н,М-элементном анализаторе CHNS Vario El Cube (Германия).

Ароматические УВ выделяли из липидов методом тонкослойной хроматографии в системе растворителей гексан — бензол (соотношение 9 : 1) [10, 11]. Сочетание тонкослойной хроматографии с привлечением УФ-спектроскопии (UV/VIS-спектрофотометр Uvikon 943 (Италия) позволило достаточно эффективно разделить липиды на насыщенные, моно-, би- и трициклоароматические УВ. Выделенные УВ анализировали на хромато-масс-спектрометрической квадрупольной системе GSMS-QP5050 "Shimadzy", по методу MIM (multiple ion monitoring), сканируя масс-хромато-граммы по характеристичным ионам в режиме программирования температуры: начальная температура 80°С, конечная 290°С, скорость 2 град/мин, на капиллярной кварцевой колонке DB5-MS длиной 30 м х 0.32 мм [12].

Структура компонентов торфа, представляющая упорядоченные участки продуктов распада растений, агрегаты липидов, ориентированные участки целлюлозы и гемицеллюлозы, связанные лигнином, труднопроницаема для молекул растворителей [13]. Скорость экстракции и выход липидов определяются диффузией растворителя [14]. Применение метода механохимических воздействий на объект снимает диффузионные затруднения и делает внутреннюю структуру надмолекулярных образований доступной для последующей экстракции [15]. Кроме того, в зависимости от условий механообработки возможны химические превращения органических соединений [16].

В таблице приведены результаты исследований по влиянию условий механообработки на содержание и элементный состав липидов торфов

разного ботанического состава и степени разложения. Выход липидов, как показано в таблице, увеличился в 1.5—2 раза независимо от условий механообработки торфов. При этом содержание углеводородов в липидах снизилось, возможно, в результате их окислительной деструкции. Особенно заметно уменьшение содержания углеводородов при механохимическом щелочном гидролизе.

Произошли изменения и в элементном составе липидов. Сведения об элементном составе и атомные отношения H/C позволяют оценить такие параметры структуры, как содержание ненасыщенных фрагментов (таблица). В липидах из верхового сфагнового торфа присутствует больше ненасыщенных водородом структур, чем в липидах низинного торфа. Это объясняется более высокой степенью преобразованности компонентов последнего.

Сравнительный анализ атомных отношений Н/С свидетельствует об изменении данного показателя в зависимости от условий механообработки торфов. Увеличение атомного отношения H/C, наблюдаемое для липидов верхового торфа при механообработке без реагента и в присутствии NaOH, а для липидов низинного торфа — только при механообработке с NaOH, происходит, очевидно, за счет деструкции соединений с ненасыщенными связями. Механообработка торфов с ферментом, напротив, повышает содержание ненасыщенных фрагментов в липидах обоих торфов.

Анализ хромато-масс-спектров углеводородов проводили по характеристическим ионам для каждой группы соединений: терпаны — m/z 191, стераны, диастераны — Z m/z 193, 217, алкилбен-золы — Z m/z 91 и 119, алкилнафталины — Z m/z 141, 156, 169, фенантрены - Z m/z 178, 219, 234, хризены — Z m/z 228, 241, перилены.

Содержание алкилбензолов (т/г. 91), отн.%

30 25 20 15 10 5 0

С13

МО + 0.5% ЦВ

МО + 3% №ОИ

I

С14 ■ С15 ■ С16 ■ С17 ' С18 Количество атомов углерода

С19

т/г. 141

¿Ш &&

-Л_I У^^А^^Ал^и^ьЛ_М^

J_I_I_I_I_I_I_I_I_I_|_

16 18 22 22 24 26 28 30 32 34 36 Время удерживания, мин

Рис. 1. Влияние механообработки на молекулярно-массовое распределение алкилбензолов.

Рис. 2. Масс-фрагментограмма алкилнафталинов (т/г 141, 156).

С

С

11

12

В образцах липидов из исходных и механооб-работанных торфов обнаружен гомологический ряд алкилбензолов. Для липидов из исходного торфа характерно бимодальное распределение углеводородов состава С13Н26—С19Нз8 с максимумами, приходящимися на соединения с числом атомов углерода С13 и С17 (рис. 1).

Липиды, выделенные из механообработанного торфа, также характеризуются наличием алкилбензолов состава С13Н26—С19Н38, но с мономодальным распределением и максимумом, приходящимся на С14, повышением относительного содержания УВ С13Н26—С16Н32 и снижением — УВ С17Н34—С19Н38, что объясняется деструкцией ал-кильных заместителей с более длинной цепью (рис. 1).

Гомологический ряд алкилбензолов в липидах, выделенных из торфа после механохимического ферментативного и щелочного гидролиза, представлен соединениями состава С15Н30—С19Н38 и С14Н28-С19Н38. В обоих случаях отмечается увеличение относительного содержания углеводородов с большей молекулярной массой (рис. 1).

Содержание алкилнафталинов(т/г 156), отн.% 701-

60 50 40 30 20 10 0

а 1, 8-Метил

11-Метил

■ 2-Метил |

1 88

1 щ

= 2, 6-Метил

X

ш

__(И

Исх.

МО МО + 0.5%ЦВ МО + 3% №ОИ Условия обработки

Масс-фрагментограммы нафталинов свидетельствуют, что в липидах присутствуют метил- и диметилзамещенные формы (рис. 2). Механообработка без реагента не влияет на содержание ал-килнафталинов, и их распределение в исследуемых фракциях аналогично липидам исходного торфа (рис. 3). После проведения механохимиче-ского ферментативного и щелочного гидролиза в составе липидов отсутствуют метилзамещенные гомологи. При этом значительно возрастает содержание 2,6- и 1,8-диметилнафталинов.

В липидах, выделенных из исходного торфа, обнаружены также изомеры нафталина: 4,6-ди-метил,6-фенил-азулен и 2,6-диметил,4-фенил-азулен с характеристическим ионом т/г 232 (рис. 4). Неальтернантные ароматические системы, характеризующиеся довольно низкой энергией сопряжения, разрушаются в результате ме-ханохимических воздействий. По этой причине данные

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком