Способ очистки препаратов гуминовых кислот от золы
METHOD FOR CLEANING HUMIC ACID PREPARATIONS FROM ASH

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и сельского хозяйства, более точно к технологиям, обеспечивающим поддержание почвенного плодородия и управление им, а также к химии природных соединений, в частности заявляемое изобретение касается гуминового препарата, способа его получения, в частности очистки и фракционирования гуминовых кислот, экстрагированных из природных объектов.
Гуминовые вещества являются группой природных высокомолекулярных соединений; образующиеся в процессе гумификации они представляют собой сложные комплексы различных компонентов (лигнинов, аминокислот, углеводов), связанных межмолекулярными связями и имеющих некоторое отличие в механизмах формирования в зависимости от географических, климатических, физических, биологических факторов. Гуминовые вещества содержатся в таких природных объектах, как почвы, торф, лечебные грязи (донные отложения), уголь и др. Гуминовые вещества составляют от 60 до 90% почвенного органического вещества. Наиболее значимой компонентой гуминовых веществ являются гуминовые кислоты (ГК). Их строение и свойства во многом определяют качество почвенного органического вещества и, соответственно, влияют на почвенное плодородие. Для изучения строения и свойств почвенных ГК, а также дальнейшего использования в качестве гуминовых удобрений необходимо их выделение в препаративной форме. Гуминовые препараты используют в народном хозяйстве для очистки загрязненных территорий, в том числе, нарушенных земель, а также рекультивации и ремедиации загрязненных почв и земель, в фармакологии, пищевой промышленности и т.д.
Известно, что проблема выделения гуминовых препаратов из различных природных сред решается некоторыми способами, которые относятся к химии почв и грунтов.
Известны способы выделения препаратов гуминовых и фульвокислот из почв щелочами, аммиаком и растворами солей различных кислот с целью изучения органических веществ почвы. В целом методы выделения весьма схожи. В частности, к примеру, два наиболее распространенных метода получения гуминовых препаратов - это принятый в Российской научной школе [1] и рекомендованный Международным гуминовым обществом - International Humic Substances Society - IHSS [2] - основаны на щелочной экстракции гуминовых веществ из почвы с последующей очисткой. Методы очистки довольно сильно различаются, весьма вероятно они могут оказывать влияние на структуру конечных ГК и (или) их препаративный выход. В процессе экстракционного извлечения в раствор гуминовых кислот переходит большое количество высокодисперсных частиц исходного сырья, глинистых минералов и других растворимых и легко диспергируемых примесей. Так, зольность гуминовых препаратов в среднем составляет 26-70%. Показатели зольности указывают на содержание в гуминовых кислотах ключевых катионов (Fe, Al, Са, K, Na и др.). Наличие этих элементов положительно сказывается на питании почв. В то же время существенное присутствие катионов в препаратах гуминовых кислот может негативно сказаться на качестве анализа молекулярного состава гуминовых кислот, особенно в ядерно-магнитной спектрометрии. Наибольший вклад в зольность гуминовых кислот вносят соединения кальция, которые химически связаны с частицами глины и при экстрагировании могут попасть в надосадочную жидкость, а затем в пробу с гуминовыми кислотами из-за своего малого размера.
По принятому в России методу щелочной экстракт гуминовых веществ подвергают многократным центрифугированиям при разных значениях рН и с возрастающей ионной силой, затем, устанавливая рН 1, осаждают ГК и подвергают диализу [1]. Согласно рекомендациям IHSS, из щелочной вытяжки сначала подкислением до рН 1 отделяют ГК, затем их вновь растворяют, добавляют коагулянты (0,3 М K+), центрифугируют, отделяя грубые неорганические примеси, затем растворяют тонкие минеральные взвеси многократной обработкой смесью HCl/HF и диализуют [2]. Таким образом, методы очистки довольно сильно различаются. Недостатком известных способов является высокая зольность полученных препаратов, а также длительность процесса выделения. Основную трудность при выделении гуминовых препаратов составляет получение препарата с малой зольностью, особенно это актуально для глинистых почв. Выводы о физических и химических свойствах и структуре гуминовых кислот, сделанные при исследовании высокозольных препаратов, не отображают истинных свойств этой группы природных кислот.
Известен способ очистки и фракционирования гуминовых кислот и гуминоподобных веществ [3], где ГК экстрагируют с помощью детонационных наноалмазов. Для этого в качестве экстрагента используется 0,1 М раствор гидроксида натрия в 10% растворе диметилсульфоксида, что способствует более полному извлечению специфических веществ. Затем экстракт подвергают предварительной очистке в режиме колоночной хроматографии с использованием в качестве сорбента сефадекс LH-20, а в качестве элюента дистиллированную воду. Очищенные с помощью гель-хроматографии гуминовые кислоты выделяют из раствора сорбцией на детонационных наноалмазах, отмывают от несорбируемых фрагментов. Гуминовые кислоты или гуминоподобные вещества десорбируют с детонационных наноалмазов элюционным буфером или хелатором. Недостатком данного варианта является многостадийность и трудоемкость процесса для повышения качества целевого продукта и максимальной очистки от примесных компонентов. Длительность и многоэтапность процесса может являться фактором окислительных процессов и тем самым изменения характеристик структур молекул ГК. Природа связей между гуминовыми, негуминовыми и неорганическими веществами в экстрактах гуминовых препаратов очень сложна, и такие методы очистки существенно влияют на структуру выделенных конечных соединений. Недостатком этого способа является и низкий выход гуминовых веществ из природных сред и неприменимость его в промышленных масштабах. Кроме того, такой способ выделения гуминовых кислот экономически не приемлем из-за большого расхода достаточно дорогих веществ.
Известен способ получения препаратов гуминовых и фульвокислот из почв [4]. Сущность этого способа состоит в том, что с помощью смеси растворов аммиака и углекислого аммония в процессе извлечения органического вещества из почв полностью удаляют полуторные окислы и затем проводят осаждение гуминовых кислот серной кислотой и фульвокислотой перед адсорбцией органического вещества на активированном угле. После длительной процедуры осаждений проводят дополнительную очистку путем переосаждения гуминовых кислот растворами серной кислоты в смеси с плавиковой из расчета 1 мл концентрированной плавиковой кислоты на 100 мл раствора. Осадок гуминовых кислот центрифугируют, промывают водой и растворяют в 2%-ном растворе аммиака. Раствор пропускают через колонку с катионообменной смолой КУ-2. Из фильтрата осаждают гуминовые кислоты раствором серной кислоты до рН 1. Осадок промывают водой и высушивают в сушильном шкафу при температуре 70°С. Несколько стадий осаждения и очистки, использование колонки со смолой обеспечивают длительность и высокую дороговизну процесса выделения гуминовых препаратов.
Известны способы экстрагирования низкомолекулярных гуминовых кислот из почвы с помощью колонки смолы XAD [5, 6]. Однако эти способы характеризуются многостадийностью процесса, добавлением к процессу очистки колонки со смолой, что дает хороший результат, но увеличивает стоимость процесса выделения.
Существуют отдельные простые методы очистки, позволяющие удалять некоторые минералы из гуминовых препаратов простой коагуляцией при добавлении небольшого количества сульфата натрия и центрифугировании [2, 7, 8] или ультрацентрифугировании [9]. Известный способ обладает низкой эффективностью, малой производительностью, высоким расходом реагентов (щелочи и кислоты). К недостаткам относятся, кроме того, большой расход воды на промывку осажденных гуминовых кислот и высокие энергетические затраты на их последующую сушку, а также высокая зольность полученных препаратов, длительность процесса выделения (эта длительность может вызвать изменения в строении гуминовых веществ, вызванных щелочной или микробной деструкцией) и отсутствие должного эффекта коагуляции для глинистых почв.
Наиболее близким по достижению технического результата и максимальному количеству общих признаков с заявляемым способом является метод экстрагирования гуминовых кислот и фульвокислот из гуминовых веществ [10], выбранный в качестве прототипа. Известный способ заключается в щелочной экстракции гуминовых кислот и фульвокислот из гуминовых веществ, промывании осадка смесью хлористоводородной кислоты и фтористоводородной кислоты и последующей сушке препаратов. Многие авторы отмечают химическую реакцию минералов с разбавленным раствором смеси кислот HCl-HF для уменьшения количества золы эффективным методом очистки, хотя пригодным только для гуминовых кислот. Шнитцер [11] отмечал, что обработка смесью HCl-HF может снизить количество золы до менее 1%. Жакен с сотр. [9] получили менее 3% золы в трех экстрактах, очищенных смесью HCl-HF.
Недостатками прототипа являются получение на выходе высокой зольности полученных препаратов, а также длительность по времени и сложность проведения. Кроме того, для почв глинистого гранулометрического состава, характеризующихся высоким содержанием тонких минеральных фракций, указанные способы очистки не дают должного эффекта. Заявленное изобретение свободно от указанных недостатков.
Таким образом, известные аналоги и прототип способов очистки выделенных гуминовых препаратов дают
Техническим результатом заявленного изобретения является выделение гуминового препарата, обладающего высокой биологической активностью, низкой себестоимостью и простотой получения препарата из доступного натурального сырья.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемый способ позволяет получить свободный от тонких минеральных взвесей препарат гуминовых кислот для облегчения и оперативности контроля качества гуминовых удобрений, что дает экономию в стоимости гуминовых удобрений и времени на выделение гуминовых препаратов. Предлагаемый способ очистки и получения малозольных гуминовых препаратов состоит в применении плавиковой кислоты для коагуляции минеральных взвесей в полученных препаратах. Химическая реакция минеральных взвесей с концентрированной HF дает существенное уменьшение количества золы. Плавиковая кислота способна растворять силикатные породообразующие минералы, кроме того, также растворяет алюмосиликаты - полевые шпаты и глинистые минералы, а ЯМР-спектры очищенных гуминовых веществ показывают более плавные, отчетливые и достоверные сигналы о распределении углерода по структурным фрагментам в полученных препаратах.
Сущность заявленного способа. Так, согласно предлагаемому способу для выделения гуминовых препаратов и последующей очистки используется следующая последовательность операций:
1. Пробоподготовка. Перед сушкой образца из него максимально тщательно отбирают как свежие, так и слаборазложившиеся органические остатки (корни, фрагменты листьев и т.п.) Высушенный при комнатной температуре образец почвы растирают в фарфоровой ступке (продолжая отбор корешков!) и пропускают через сито 1 мм. Из образца повторно с максимально возможной тщательностью отбирают неразложившиеся органические остатки.
2
4
2. Декальцирование. Навеску образца (обычно от 100 до 500 г. - по необходимости) заливают 0,05 н HSO (соотношение 1:10) и оставляют на ночь. Затем декальцинат по возможности полно фильтруют через рыхлый фильтр, перенося на него часть почвы. Декальцирование проводят полностью, контролируя фильтрат на содержание кальция (качественная реакция с оксалатом аммония).
3. Экстракция. После фильтрации декальцината образец почвы сразу же заливают (смывая и частицы почвы с фильтра) 0,1 н раствором NaOH (соотношение почва-раствор 1:10), тщательно взбалтывают и оставляют на 6-8 часов. После этого, не взмучивая почву, максимально полно сливают надосадочный раствор с помощью сифона и запивают почву новой порцией раствора щелочи в том же соотношении. Тщательно перемешивают и оставляют до следующего дня с таким расчетом, чтобы общее время взаимодействия почвы с раствором щелочи составляло 24 часа. Вторую порцию также максимально полно сифонируют и объединяют с первой.
2
4
4. Осаждение. Гуминовые кислоты осаждают в очищенном щелочном экстракте постепенным добавлением 1 н. раствора HSO до рН=1,1-1,2 (контроль только по рН-метру!) (из расчета в среднем 50 мл кислоты на 100 мл щелочи т.е. на 1 л экстракта, 500 мл кислоты) и оставляют на ночь. В случае, если ГК не выпадут в осадок, то нужно еще добавить кислоты. На следующий день сифонируют надосадочную жидкость (кислоторастворимая фракция).
5. Диализ. Гель ГК помещают в мешки (пакеты) из полупроницаемого, т.н. диализного целлофана, и размещают в больших емкостях с дистиллированной водой. Мешки опускают в воду до половины их высоты. Меняют каждый день в течение 5 дней. Полноту удаления контролируют качественной реакцией на сульфаты в воде, стекающей с мешка после подъема из диализного сосуда.
2
2
5
6. Сушка. Препараты ГК из диализных пакетов переносят в чашки Петри или небольшие кристаллизаторы, после чего сушат в вакуумном шкафу над емкостями с сухим CaCl. При хорошей откачке воздуха при комнатной температуре препараты высыхают до воздушно-сухого состояния за одну ночь. Далее препараты ГК перемещают в бюксы и при необходимости досушивают в эксикаторе над PO. Необходимо взвесить массу ГК.
7. Очистка. Высушенные препараты заливают концентрированной плавиковой кислотой в пластмассовые чашки Петри (не стеклянные) и сушат под вытяжкой для коагуляции минеральных взвесей и окончательного удаления тонких минеральных взвесей. Необходимо взвесить массу ГК.
Заявленный способ был апробирован в лабораторных условиях в рамках работы по выделению гуминовых препаратов для серогумусовых почв Самарской области (район г. Тольятти). Ниже приведен пример апробации.
На базе Санкт-Петербургского государственного университета были проведены лабораторные исследования для сравнения вариантов очистки гуминовых препаратов по рекомендациям IHSS [2, 5] коагуляцией при добавлении сульфата натрия и по предлагаемому способу с применением плавиковой кислоты для коагуляции минеральных взвесей в полученных препаратах.
Выход препаратов ГК, который оценивали взвешиванием полученных препаратов, существенно различался: после очистки методом по рекомендациям IHSS из первоначальной навески пробы почвы в 100 г было получено в среднем 0,6 г гуминового препарата, в то же время, количество препарата, полученного из той же навески, того же экстракта после очистки по предлагаемому изобретению, составило 2,8 г. Столь высокая разница в препаративном выходе вероятно объясняется большими потерями гуминовых кислот при центрифугировании для отделения неорганических взвесей. Таким образом, с точки зрения количественного выхода ГК предпочтительнее использовать предлагаемый способ изобретения.
Кроме того, обработка плавиковой кислотой существенно снижает зольность гуминовых препаратов. Если при экстракции ГК по методу IHSS зольность гуминовых колебалась в пределах 20-30%, то обработка почвенных проб HF позволяет снизить зольность гуминовых препаратов до 8-10% за счет дополнительной деминерализации.
13С-ЯМР спектроскопия - один из наиболее информативных методов структурного анализа ГК (фиг. 1). В целом спектры весьма схожи, однако при обработке гуминовых препаратов плавиковой кислотой спектры получаются более плавные, что приводит к значительному улучшению спектрального качества. Структуры обоих препаратов практически одинаковы, что говорит о том, что методика очистки не влияет на структуру получаемых препаратов ГК.
Как показал пример апробации, при использовании метода очистки ГК в соответствии с предлагаемым изобретением выход гуминовых препаратов существенно (более чем в 4 раза) выше, в сравнении с методом IHSS, при этом структура получаемых препаратов практически одинакова, получаемые спектры более плавные, а зольность существенно ниже.
Технико-экономическая эффективность заявленного способа состоит в возможности быстрого, простого и дешевого выделения малозольных препаратов гуминовых кислот из природных объектов, в частности наиболее актуально для глинистых грунтов. Преимуществами предлагаемого изобретения, как выявили результаты апробации по сравнению с наиболее близким техническим решением, являются простота выполнения операций по выделению препаратов, дешевизна, быстрота получения гуминовых препаратов, возможность работать с глинистыми почвами, получение чистых и достоверных сигналов о распределении углерода по структурным фрагментам в полученных препаратах.
Использованные источники информации
1. Орлов Д.С., Гришина Л.А. Практикум по химии гумуса. М.: Изд-во МГУ, 1981. 272 с.
2. Swift, R.S. 1996 Organic matter characterization (chap 35). pp. 1018-1020. In: D.L. Sparks et al. (eds) Methods of soil analysis. Part 3. Chemical methods. Soil Sci. Soc. Am. Book Series: 5. Soil Sci. Soc. Am. Madison, WI.
3. Патент Российской Федерации RU 2 413 564 Способ очистки и фракционирования гуминовых кислот и гуминоподобных веществ.
4. Патент Союза Советских Социалистических Республик SU 268 741 Способ получения препаратов гуминовых и фульвокислот из почв.
5. Patent China HK1215880 Al Extraction method of small molecules of humic acid in soil through xad resin xad.
6. Patent India IN-309209 В Improved method of extracting humic acids.
7. Чуков C.H. Изучение гумусовых кислот антропогенно-нарушенных почв методом 13С ЯМР // Почвоведение. 1998. №9. С. 1085-1093.
8. Kumada K., Hurst Н.М. Green humic acid and its possible origin as a fungal metabolite // Nature. 1967. V.214. N.5088. P.631-637.
9. Duchaufour Ph., Jacquin F. Nouvelles sur l'extraction et le fractionnement des composes humiques // Bul.de l'Ecole Nat. Super. Agronom. De Nancy. 1966. T. 8. N. 1. P. 3-11.
10. Patent South Korea KR 2012 0108816 Extacting method for humic acid and fulvic acid from humic substances, (прототип).
11. Schnitzer M. Reactions of humic substances with minerals in the soil environment // Environ. Biogeochem. and Geomicrobiol. Proc. / 3rd Int. Symp. Vol. 2. 1978.