Структурообразование почв в присутствии продуктов сополимеризации малеиновой кислоты и акриламида, полученных при различных условиях

2. Alekseev, I.A. Characteristics of the reference landscape of the projected launch site " Vostochny " and adjacent areas / I.A. Alekseev, A.V. Puza-nov, E.S. Maskaltsova // Geography: issues of science and education. LXIII Gertsen readings: Proceedings of the annual international scientific-practical conference (22-24 April 2010, St. Petersburg). - St. Petersburg: Printing-Resource Publ., 2010.

3. Alekseev, I.A. / / The world of science, culture and education. - 2010. - № 4 (24).

4. Puzanov, A.V. Characteristics of the reference landscape of the projected launch site " Vostochny " and adjacent areas / A.V. Puzanov, I.A. Alekseev // The world of science, culture and education. - 2009. - № 7 (19).

5. Sukachev, V.N. Methodical instructions to the study of forest types / V.N. Sukachev, S. Zonn. - Moscow, 1961.

6. Artemyev, O. Forest and Park Management: textbook / O.S. Artemyev, R.N. Matveeva, O.F. Butorova, N.V. Kovylin. - Krasnoyarsk: Siberian State Technical University, 2002.

7. Kolesnikov, B.P. Vegetation // South of the Far East. - Moscow: Nauka, 1969.

8. Dobrynin, A.P. Oak forests of the Russian Far East (biology, geography, origin) / Ed.by V.A. Nedoluzhko. - Vladivostok: Dal'nauka, 2000.

9. Reference book on taxation of the Far East forest - Khabarovsk, 1990.

10. Bazilevich, N. The balance of chemicals in natural and man-transformed ecosystems (conceptual model) / N.I. Bazilevich // Heterotrophs in ecosystems of the Central forest-steppe. - M.: IG AS USSR, 1979.

11. Bazilevich, N.I. Geographical aspects of biological productivity study/ N.I. Bazilevich, L.E. Rodin, I.N. Rozov. - L.: 1970.

Article Submitted 17.12.10

УДК 541.6З1.577.4/48

A.C. Лхметов, д-р техн. наук, проф. Таразского государственного университета им. М.Х. Дулати, Казахстан;

A.A. Acaнoв, канд. хим. наук, проф. ТарГУ, Казахстан; Ю.И. Винокуров, д-р географ. наук, проф. ИВЭП СО РАН, Барнаул; Г.К. Лхaуoвa, ст. преп. ТарГУ, Казахстан, E-mail:puzanov@ivep.asu.ru

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ ПОЧВ В ПРИСУТСТВИИ ПРОДУКТОВ СОПОЛИМЕРИЗАЦИИ МАЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ И АКРИЛАМИДА, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ

Изучено структурообразование почв в присутствии водорастворимых полиэлектролитов, полученных на основе продуктов сополимериза-ции малеиновой кислоты и акриламида. Определены их физико- и коллоидно-химические свойства, а также проанализированы причинноследственные связи.

Ключевые слова: структурообразование почв, продукты сополимеризации малеиновой кислоты и акриламида, коллоиднохимические свойства.

Одной из проблем геоэкологии является целенаправленное регулирование структуры почвы, так как мелкие частицы, образующиеся в результате ветровой, водной, механической эрозии, оказывают отрицательное влияние на аэро- и гидросферу, а также плодородие почв, усиливающееся по мере уменьшения размера частиц [1-2]. Процессам эрозии наиболее подвержены типичные сероземы, образующие частицы размером 0,1-0,5 мм и менее, которые по мнению авторов [3] при скоростях ветра у поверхности почвы 3,8-6,6 м/с приходят в движение и перемещаются на большие расстояния. Особенно мелкие почвенные частицы (< 0,1 мм) способны преодолевать расстояния в сотни, иногда тысячи километров Частицы размером 0,5-0,1 мм и менее также загрязняют поверхностные воды. Интенсивность эрозии в современную эпоху порождена прямыми либо косвенными последствиями антропогенного происхождения. К первым следует отнести широкую распашку земель в эрозионно-опасных районах, особенно в зоне типичного серозема. Такое явление также имеет место на орошаемых пахотных территориях [4].

Наряду с этим, мелкие частицы размером 0,5-0,1мм и менее обладают высокой адсорбирующей способностью, вследствие чего это становится вредным для окружающей среды. Для предотвращения подобного отрицательного влияния на аэро- и гидроэкологию в мировой практике используются различные методы, которые приводят к улучшению механического состава почвы, особенно поверхностного плодородного слоя [5].

Среди распространенных методов, применяемых для улучшения структурного состава, наиболее быстрыми и эффективными считаются химические, которые осуществляются путем обработки эродированной бесструктурной почвы высокомолекулярными водорастворимыми полиэлектролитами (ВРП) [6]. В этом аспекте наиболее распространенными ВРП, применяемыми для этой, цели являются карбоксид-, амид содержащие, которые получают различными способами [7].

В настоящие время широко применяются водорастворимые полимеры на основе акриламида (АА), которые объеди-

нены общим названием «полиакриламиды». В эту группу входят полиакриламид (ПАА) - неионогенный полимер, его анионы производные, например, частично гидролизованный ПАА и катионные производные, например поливиниламин, а также сополимеры АА с различными ионогенными и неио-генными мономерами [4,6,7]. Полимеры и сополимеры с разной молекулярной массой (ММ), молекулярно-массовым распределением, химическим составом и распределением звеньев исходных мономеров вдоль цепи макромолекулы, линейные, разветвленные и сшитые имеют разное функциональное назначение и различные области применения [6].

В связи с этим, в данной работе исследовано изменение структурного состава бесструктурной типичной сероземной почвы Южного региона Республики Казахстан.

Для решения поставленной задачи в качестве высокомолекулярного водорастворимого ПЭ были взяты продукты со-полимеризации малеиновой кислоты (МК) и акриламида (АА). Они синтезированы путем сополимеризации при исходных значениях рН в водной среде, при оптимальных мольных (1,0-4,0) соотношениях мономеров. Эти вещества условно обозначены МКАА-3-Н, а также МКАА-3-ЫН4ОН, МКАА-3-ДМА, МАА-3-ДМА, полученные путем нейтрализации МКАА-3-Н до значения рН= 8,0-8,5 с добавлением водного раствора гидроксида аммония (МН4ОН) и диметиламина (ДМА). Для характеристики выбранных ВРП определены вязкость (п), электропроводность (х), оптическая плотность ф), рН растворов, а также структурообразующая способность ВРП в зависимости от концентрации.

Результаты экспериментов показали, что независимо от условий получения исследуемые ВРП образуют гомогенные растворы в указанном интервале концентрации растворов, о чем свидетельствует низкое значение оптической плотности, близкое к нулю. Наряду с этим проведенные исследования показывают, что удельная вязкость (пуд), электропроводность (худ) растворов ВРП почти пропорционально изменяются с концентрацией раствора (табл. 1).

Таблица 1

Физико- и коллоидно-химические характеристики растворов ВРП в зависимости от концентрации

С, ПЭ, г/дл Пуд Ксим "Лпр Худі0 = ом" .см Хпр рн ВПА, % ЭСД, %

МКАА-3-Н

0,0100 0,09 1,30 15,00 0,56 56,00 4,65 13,00 13,94

0,0250 0,18 1,04 11,00 1,32 52,80 3,95 16,00 6,86

0,0500 0,28 0,81 8,60 2,48 49,60 3,60 24,00 5,15

0,1000 0,49 0,71 7,90 4,56 45,60 3,20 29,00 3,11

0,2500 1,29 0,75 6,16 9,75 39,00 2,80 37,00 1,58

0,5000 3,45 1,00 6,91 17,5 35,72 2,50 46,60 1,00

МКАА-3-ЮТ4ОН

0,0100 0,19 0,94 28,79 0,76 76,00 7,50 22,80 19,86

0,0250 0,49 0,97 26,84 1,64 65,60 7,75 29,60 10,31

0,0500 1,11 1,09 24,30 2,85 57,00 7,98 37,75 6,57

0,1000 2,32 1,14 22,23 5,00 50,00 8,25 48,79 4,25

0,2500 4,46 0,88 19,86 10,75 43,00 8,50 53,70 1,87

0,5000 10,13 1,00 20,27 21,18 42,36 8,70 57,40 1,00

МКАА-3-ДМА

0,0100 0,29 1,41 29,40 0,56 56,00 6,80 26,4 14,66

0,0250 0,64 1,25 26,80 1,21 48,4 7,35 31,2 6,93

0,0500 1,24 1,21 24,78 2,54 50,8 8,25 43,3 4,81

0,1000 2,31 1,13 23,07 4,30 43,00 8,65 57,4 3,18

0,2500 5,02 0,97 20,07 9,14 36,56 8,85 87,4 1,9

0,5000 10,25 1,00 20,50 18,76 37,52 8,80 90,0 1,00

МАА-3-ДМА

0,0100 0,07 2,55 7,0 0,68 68,00 7,60 10,90 7,06

0,0250 0,11 1,60 5,40 1,58 63,20 7,70 22,55 5,84

0,0500 0,19 1,38 3,80 2,76 55,20 7,80 34,65 4,49

0,1000 0,32 1,17 3,20 5,03 50,30 7,95 44,70 2,88

0,2500 0,69 1,01 2,76 11,52 46,08 8,25 57,60 1,49

0,5000 1,37 1,00 2,74 19,20 38,40 8,60 77,15 1,00

ДЦ мл

С, г/дл

• МАА-3-ДМА ----------МКАА-3-ДМА -------—-----К-4 ф ПАА

а б

Рис. 1. Изменение объема осадка (V) и скорости фильтрации (и) почвенных дисперсии в зависимости от концентрации ВРП: а - объем осадка, б - скорость фильтрации

В отличие от удельной вязкости (т|уд) и удельной электропроводности (худ), приведенная вязкость и электропроводность, наоборот, увеличиваются с уменьшением концентрации растворов ВРП. Такая закономерность присуща большинству ВРП, которые содержат вдоль цепи макромолекулы, ионизированные функциональные группы [4, 7].

Кроме того, также были выявлены различия этих параметров у ВРП, полученных разными способами. Это в определенной мере оказывают влияние на их структурообразующее действие (табл. 1, рис. 1). Все исследуемые ВРП проявляют структурообразующее действие, на что указывает увеличение количество ВПА от добавляемой концентрации. При этом наиболее высокое структурообразующее действие обладает МКАА-3-ДМА, полученный путем, продукта сополимериза-ции МА с АА при исходных значениях рН нейтрализацией диметиламином до рН= 8,0-8,5, а также МАА-3-ДМА.

Причиной этого является то, что при разбавлении растворов макромолекула переходит от свернутого к развернутому конформационному состоянию. Вследствие этого не только растет длина макромолекулы, которая положительно влияет на процесс мостикообразования между отдельными мелкими частицами, но и увеличение количества активных свободных функциональных групп, проявляющих способность взаимодействовать с частицами почвы. Эффект структурообразующего действия (ЭСД) также изменяется в зависимости от добавляемой концентрации растворов ВРП. В большинстве случаях по мере уменьшения концентрации растворов ВРП, ЭСД усиливается.

Структурообразующее действие также было оценено путем определения изменения объема осадка (V), скорости фильтрации (и) в зависимости от концентрации растворов ВРП. При этом в основном по мере роста концентрации добавляемого ВРП объем осадка сначала растет и, достигнув определенной величины, затем практически не изменяется (рис 1).

Аналогичный характер имеет изменение скорости фильтрации суспензии почвы в зависимости от концентрации (рис. 1). Такая закономерность связана с тем, что при добавлении определенной концентрации ВРП образуются крупные быстро оседающие, бесформенные плохо уплотняющиеся агрегаты. При дальнейшем увеличении концентрации ВРП не происходит существенного увеличения как объема осадка (V), так и скорости фильтрации (и), даже наблюдается некоторое уменьшение. Это можно объяснить тем, что при увеличении концентрации вновь начинают образовываться более мелкие агрегаты, в результате чего улучшается процесс уплотнения, что вызывает некоторое уменьшение объема осадка (V) и, соответственно, скорости фильтрации (и).

Взаимодействие ВРП с мелкими частицами почвы сопровождается ионообменной адсорбцией, на что указывает изменение электропроводности (х), ДрН фильтрата. В основном существенное изменение ДрН имеет место при низких значения концентрации (рис. 2). Это может быть связано с тем, что при малых концентрациях преобладает ионообменная адсорбция, а с ростом концентрации - ионообменная и молекулярная адсорбция. Некоторое уменьшение ДрН фильтрата, особенно при добавлении высоких концентраций МКАА-3-Н, может быть связано с увеличением в системе количества макроиона этого образца, имеющего достаточно кислое значение рН.

С, г/дл

МАА-3-ДМА --------МКАА-3-ДМА -----*---К-4 ----•---ПАА

Рис. 2. Зависимость изменения ДрН почвенных дисперсий в присутствии ВРП

Таким образом, проведенные исследования позволили определить физико- и коллоидно-химические свойства растворов ВРП, полученных путем сополимеризации МК с АА при различных условиях, а также определить их структурообразующее действие, измеряя изменение количества водопрочных агрегатов, объема осадка, скорости фильтрации почвенных дисперсий, рН, электропроводности, оптической плотности фильтрата, установить различия и объяснить причины возникновения этих различий.

References

1. Gurenev, M.N. Fundamentals of Agriculture / M.N. Gurenev, et al. - M.: Kolos, 1981.

2. Akhmedov, A.S. Stability and structure formation in disperse systems / A.S. Akhmedov, A.A. Asanov, et al. - Tashkent: Izd. FAN Uz.SSR, 1976

3. Lopyrev, M.I. Erosion protection of lands and nature conservation / M.I. Lopyrev, E.I. Ryabov. - M.: Agropmizdat, 1989.

4. Akhmedov, K.S. Water-soluble polymers and their interaction with disperse systems / K.S. Akhmedov, et al. - Tashkent: FAN, 1969.

5. Yergozhin, E.E. Soluble polyelectrolytes / E.E. Yergozhin, B.T. Tausarova. - Almaty, 1991.

6. Okhrimenko, G.I., Nikolaev, A.F. Water-soluble polymers / G.I. Okhrimenko, A.F. Nikolaev. - L.: Chemistry, 1979.

7. Kurenkov, V.F. Polyacrylamide. - M.: Chemistry, 1992

Article Submitted 17.12.10