Материал: Применение атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и окситермометрии в исследовании химического состава торфа

Применение атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и окситермометрии в исследовании химического состава торфа

Министерство науки и образования Российской Федерации

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Факультет естественных наук

Курсовая работа

Применение атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и окситермометрии в исследовании химического состава торфа

Выполнил

Козлова В.А.

Москва 2016

Содержание

Введение

Глава 1. Литературный обзор

.1 Растительность болот и классификация торфа

.2 История заказника Журавлиная Родина

.3 Метод анализа веществ и материалов АЭС-ИСП

.4 Метод определения органических веществ окситермография

Глава 2. Экспериментальная часть

.1 Реагенты, вспомогательное оборудование и методики

.2 Методика определения влажности и зольности торфа

.3 Методика определения элементного состава торфа

.4 Методика определения органического углерода мха и торфа

Выводы

Список литературы

Введение

Актуальность темы. По данным Х Международного конгресса по торфу, состоявшегося в 1996 г., торфяные болота покрывают 4 млн км² всей поверхности суши. Из них 14% или 570000 км² находятся на территории России [1, 2].

Торф представляет собой смесь продуктов неполного превращения остатков наземных и болотных растений, видимых невооруженным глазом, с продуктами более глубокого превращения исходных растений, имеющих вид однородной аморфной массы [3]. Разрушение органического вещества растений характеризуется степенью разложения, т. е. отношением количества бесструктурной части к общему количеству торфа. Она является важнейшим показателем качественной характеристики торфа и колеблется в пределах 5-70% [4]. Долгое время торф рассматривали лишь как материал для промышленных и сельскохозяйственных нужд. Поэтому методы анализа химического состава торфа были направлены на определение его тепловых и топливных характеристик, а также на определение только некоторых биогенных элементов - азот, калий, фосфор. Все это проводилось химическими методами мокрого анализа, которые отличаются длительностью, большим расходом кислот и других реактивов, взрыво- и пожароопасностью.

В данной работе болотная экосистема и одна из основных ее составляющих - торф рассмотрен как экологический объект, требующий нового подхода к пробоподготовке и анализу химического состава. Рассмотрены новые методы исследования химического состава торфа.

Цель данной работы - на примере торфа познакомиться с методами и методиками анализа природных объектов: отборы проб, приготовление образца, приготовление лабораторной пробы, знакомство со специализированной литературой. Освоить методологию ИСП-АЭС и окситермометрии.

Для выполнения цели работы необходимо:

. Освоить и опробовать способы пробоподготовки торфа: гравиметрическое определение влажности, зольности; кислотное разложение; органическая вытяжка;

. Провести элементный анализ на ИСП-АЭС;

. Определить содержание органического вещества в торфе;

. Изучить специфическую литературу, участие в конференциях и семинарах.

Глава 1. Литературный обзор

.1 Растительность болот и классификация торфа

Тюремновым С.Н. [5] разработана генетическая классификация торфов, которая связывает виды торфа с видами растений (комплексами растительных ассоциаций), органическое вещество которых образовало данный торф. В классификации торфа и торфяных залежей отражена роль

ландшафта, химической и генетической специфики формирования торфа и торфяных залежей. В принятой классификации выделено 40 видов торфа, разделенных на три типа: низинный, переходный, верховой. В каждом типе выделено три подтипа: лесной, лесотопяной и моховой, которые делятся на группы, а последние - на виды. Ботанический вид торфообразователей имеет свой характерный, присущий данному виду химический состав, который в свою очередь обусловливается уровнем интенсивности микробиологического распада [4].

Растения-торфообразователи имеют в своем составе: протеин (1-30%), жиры, воска, масла (1-30%), целлюлозу и инкрустирующие вещества (10-50%), лигнин (10-30%). Элементный состав растений-торфообразователей колеблется менее существенно и состоит из углерода (50-53%), водорода (5.5-6.5%) и азота (0.8-1.9%).

Торф состоит из тех же групп веществ, что и растения-торфообразователи, но к ним добавляется новый класс соединений - гуминовые вещества.

Процесс накопления последних в торфе является наиболее характерным для торфообразования, а переход растений в торф называют гумификацией.

Исходные компоненты растений - торфообразователей претерпевают тем большие изменения, чем выше геологический и химический возраст торфа, хотя эти понятия и не идентичны. Группа соединений, извлекаемых органическими растворителями, получила термин “битумы торфа”. Они состоят из восков, парафинов, смол и содержат парафиновые, терпеновые и ароматические углеводороды, а также такие кислородсодержащие соединения, как спирты, кислоты, эфиры. Их количество колеблется в пределах от 1.2 до 17.7%. Углеводный комплекс торфа содержит водорастворимые и легкогидролизуемые вещества в количестве от 6.9 до 63%. В них входят различные классы органических соединений (пентозы, уроновые кислоты, гексозы). Целлюлоза торфа относится к трудногидролизуемым веществам, ее содержание изменяется от 0.2 до 20%.

Негидролизуемые вещества торфа состоят из сложной смеси веществ: лигнина растений-торфообразователей и веществ кутино-субериновой группы. Количество негидролизуемого остатка может доходить до 26%.

Гуминовые вещества представляют собой смесь высокополимеров с разным молекулярным весом. Макромолекулы гуминовых веществ включают упорядоченные конденсированные ядра и неупорядоченную периферийную часть. При ядре и боковых участках макромолекул гуминовых веществ находятся способные к диссоциации кислотные и основные группы, придающие этим соединениям свойства полиэлектролитов (рис.1-3). Гуминовые соединения имеют аморфную структуру, ассоциаты макромолекул которых образуются в результате непосредственного взаимодействия функциональных групп, а также через молекулы воды и многовалентные ионы. На долю гуминовых веществ приходится до 70% органической части торфа.

Таким образом, торф по химическому составу занимает промежуточное положение между растительным сырьем и твердыми горючими ископаемыми, и чем меньше его степень разложения, тем он ближе по свойствам к растениям-торфообразователям.

Рис. 1. Блок-схема гуминовой кислоты по Мистерски и Логинову.

Рис. 2. Строение гуминовой кислоты по С.С. Драгунову.

Рис. 3. Строение гуминовой кислоты по Д.С. Орлову.

болото торф окситермография органический

Рассмотренные выше представления о свойствах торфа положены в основу технологии его переработки.

Раковский В.Е. [6] отмечает, что логическим развитием лесохимии явилось создание торфохимической промышленности, которая впитала в себя опыт и приемы своей предшественницы. С одной стороны - это получение после предварительной переработки торфа и использование твердых, жидких и газообразных продуктов. С другой - это мягкое извлечение из органической части торфа групп веществ в наименее измененном виде, путем обработки его органическими растворителями, щелочами, кислотами и другими реагентами.

Наиболее простым, радикальным и широко распространенным приемом переработки торфа является термолиз. Нагревание торфа выше 140 °С приводит к изменению его состава, причем эти изменения тем глубже, чем выше конечная температура нагревания. В результате такой обработки образуется большое число различных новых соединений. Следует отметить, что термическая переработка торфа значительно поднимает его ценность как химического сырья. В последнее время появился ряд новых способов переработки торфа: механохимическая, электроимпульсная, радиационная.

Ко второму направлению получения химических продуктов на основе торфа относятся гидролиз, экстракция и химическая модификация [6].

В гидролизатах торфа обнаружен широкий спектр аминокислот, карбоновых, уроновых кислот, гуминовых веществ и других соединений, способных активизировать или ингибировать разнообразные биологические процессы. Конечными продуктами являются кормовая меласса, белковые кормовые дрожжи, осахаренный торф [7]. В промышленных масштабах осуществлен процесс получения битумов путем экстракции торфа бензином (нефрасом). Получаемые при этом торфяной воск и смола служат базой для производства десятков новых препаратов, нашедших применение в разных областях - от модельных составов для точного литья до медицинских препаратов [8, 9].

Большой класс материалов может быть получен на основе гуминового комплекса. Это стимуляторы роста растений, красители, ингибитор коррозии, поглотитель радионуклидов [9]. Значительный интерес представляют процессы химической модификации торфа. Эта область очень мало исследована и прообразом могут служить процессы химической переработки древесины. Особый интерес в данном направлении представляют ботанически чистые виды торфа, т. е. сложенные на 85-95% из какого-либо одного вида растения-торфообразователя. Естественные ресурсы торфа требуют комплексного подхода при организации торфяных производств. Использование торфа торфяных месторождений не должно быть однообразным, а должно определяться условиями залегания месторождения, его природными особенностями, составом и свойствами сырья. Поэтому использование органической части торфа эффективно в комплексных схемах переработки. Например, остаток после извлечения битумов можно использовать для получения гуматов, активных углей, а остаток после гидролиза - для производства биологически активных препаратов или комплексных органо-минеральных удобрений [8].

Таким образом, огромные запасы растительного сырья, накопленные за многие тысячелетия в торфяных месторождениях, возможность получения на его основе целой гаммы продуктов свидетельствуют о чрезвычайной актуальности проблемы его рационального использования.

.2 История заказника Журавлиная Родина

В прошлом Калязинский уезд, к которому относилась Журавлиная родина, считался одним из самых болотистых в Тверской губернии. Болота и сейчас занимают здесь около 90 кв.км. Они протянулись от посёлка Кубринск почти до города Талдома. В начале прошлого века болот здесь было ещё больше. Тремя самыми обширными были Яхромские болота, Дубненский болотный массив и Ольховско-Батьковское болото.

Яхромские болота когда-то располагались в долине реки Яхромы, совсем рядом с городом Дмитровом. Тот край болота, к которому подступал город, был осушен еще в конце XVIII века. Здесь же в 50-х годах XIX столетия (впервые в северном Подмосковье) торф, добытый из болота, использовали как топливо - для промышленных предприятий Дмитрова и Вербилок. В тридцатые годы прошлого столетия Яхромские болота были целиком осушены, и здесь началась массовая добыча торфа; а после войны бывшее болото стало огромным овощным полем. В наше время о Яхромских болотах напоминают только зарастающие и заболачивающиеся карьеры старых торфоразработок вдоль речки Мельчевки.

Дубненский болотный массив находится в долине реки Дубны, в Талдомском и Сергиево-Посадском районах. Осушение болот вдоль Дубны началось в 20-х годах прошлого века, но центральная их часть оставалась нетронутой очень долго. Лишь вначале шестидесятых годов здесь начали добывать торф. В наши дни в западной части болот расчищен большой участок торфяных полей. Здесь выращивают овощи, косят сено, местами еще добывают торф. Тем не менее, большинство Дубненских болот сохранилось до наших дней в почти первозданном виде. Это стало возможным благодаря тому, что площадь торфоразработок была ограничена при создании заказника Журавлиная родина в 1979 г.

Ольховско-Батьковское болото (рис. 4) находится на восточном склоне Яхромско-Дубненской низины. Оно некогда состояло из двух частей. На севере и теперь находится болото Батьковское, практически не затронутое осушением (там создан заказник “Озёра Большое и Малое Туголянские и прилегающий болотный массив”). Южная часть была занята Ольховскими болотами. В 1936 году этот массив был осушен. Сейчас добыча торфа здесь давно завершена, бывшие торфяные поля зарастают лесом, а часть торфоразработок залита водами реки Сулати и постепенно заболачивается.

Рис.4. Болото Батьковское.

Болота Журавлиной родины живут и развиваются около 10 тысяч лет. За это время в них накопился толстый, до 4-5 метров, слой торфа - не до конца перегнивших остатков болотных растений и животных.

В Журавлиной родине низинные болота тянутся широкой полосой в поймах рек Дубны и Сулати. Эти болота бывают очень топкими и трудно проходимыми для человека. Дубна и Сулать разливались среди болот озёрами, делились на множество протоков. Их расположение часто менялось: над протоками смыкались корни растений, образуя сплавины - плавучие болотные ковры. Во время весенних разливов целые острова сплавин, поросших ольховым лесом, отрывались водой и уплывали ниже по течению. На их месте оставались новые протоки и озёра. Теперь, когда русла рек искусственно углублены, сохранившиеся черноольховые болота стали гораздо суше, и некоторые из них уже мало напоминают болотные леса: в них сохнут деревья, вместо болотной растительности буйно растёт крапива, сухой торф легко загорается от непотушенных костров. Тем не менее, в Журавлиной родине ещё сохранились непроходимые низинные болота.

Несмотря на куполообразную форму многих верховых болот, вода с них не стекает. Её удерживает толстый слой мха - сфагнума и торфа, образовавшегося из него же. Сфагнум покрывает верховое болото почти сплошным ковром. Потому оно ведёт себя как живая губка: впитывает и надолго удерживает всю воду, которая ему достаётся с дождём и снегом. Вода постепенно стекает с болота в реки, но очень медленно и равномерно.

Сфагнум не только удерживает болотную воду. Он выделяет в неё кислоты, а кислая вода непригодна для большинства других растений. Поэтому растения чувствуют себя на верховом болоте почти как в пустыне: они должны беречь чистую воду, которая попадает к ним с дождями. Мирт, шикша, клюква и другие болотные растения стараются испарять поменьше воды: их листья плотные, жёсткие. Нижняя сторона листьев багульника, где находятся устьица, покрыта рыжим войлоком, а у подбела - белым восковым налётом: тоже для того, чтобы не испарять лишнюю воду.

В Журавлиной родине есть три больших верховых болота. Батьковское болото - самое крупное и меньше всего затронуто осушением; Костолыгинское и Куниловское болота граничат с торфоразработками и поэтому их окраины находятся в худшем состоянии.

По остаткам растений, сохранившихся в толще торфяников, можно определить, что росло на болоте в прошлом. Сравнив остатки растений в нижних слоях торфа с тем, что растёт на поверхности, учёные определили, что многие верховые болота когда-то были низинными. В Журавлиной родине на месте ледниковых озёр тоже возникли сначала низинные болота.

Отношение людей к болотам не раз менялось. Издревле они были местностью, непригодной для жилья, но полезной в других отношениях. До начала прошлого века люди брали с болот лишь дичь, ягоды и сено - и то не постоянно, и лишь в определенные сезоны. Затем люди перестали ценить болота сами по себе и стали видеть в них будущие сельскохозяйственные угодья или источник топлива и удобрения. В течение последних ста лет к естественным процессам изменения болот добавилось воздействие человека.

Болота питают многие реки. Каждое болото, как губка, впитывает дожди и талые воды и потом медленно отдаёт их рекам и ручьям. При этом болота очищают дождевую воду, если она загрязнена пылью и вредными веществами. Торф впитывает примеси, подобно активированному углю, и вода, вытекающая из болота, становится чистой. Болота активно поглощают атмосферный углекислый газ и “хоронят” его в толще торфа. Болота хранят и свою историю, и историю климата и растительности Журавлиной родины. По остаткам растений, их пыльце, которые находят в торфе, ботаники определяют, что росло на болоте и на окружающих территориях, и в какое время. В этой давно обжитой местности болота остались единственными нетронутыми природными островками. Для диких животных - это последние безопасные убежища, а для людей - своеобразные музеи, где можно увидеть, какой была природа сотни лет назад.

Сейчас почти все болота Журавлиной родины входят в состав государственных природных заказников, где прекращено осушение и добыча торфа. А осушенные выработанные торфяники обводняют и заболачивают [9].