Хімія торфу
Хімія торфу – розділ хімії, зокрема органічної хімії, який вивчає хімічний склад, фізико-хімічні властивості торфу, хімічні основи процесів торфоутворення, торфонакопичення, зберігання, переробки та використання торфу. Зокрема вивчаються склад, будова і властивості торфу і його складових, органічної та мінеральної частин, залежність властивостей торфу від його складу і будови, умови та шляхи його перетворення і переробки. Склад торфу. Торф – складна багатокомпонентна полідисперсна напівколоїдно-високомолекулярна система. Основу торфу складають рослинні залишки твердих полімерів целюлозної природи і продукти їх розпаду, що перебувають у рівновазі з водним розчином низько- та високомолекулярних речовин.
Загальний опис ред.
Головним джерелом неорганічних сполук торфу є водна міграція мінеральних компонентів, що надходять з паводковими та ґрунтовими водами, а також повітряна і біогенна міграції. Хімічні елементи неорганічної частини в торфі знаходяться у вигляді йонів, солей чи комплексних сполук у п’яти формах:
- 1) неорганічні мінерали торфу;
- 2) неорганічні компоненти торфової води;
- 3) йонообмінні гетерополярні органо-мінеральні комплекси;
- 4) комплексно-гетерополярні органо-мінеральні сполуки;
- 5) адсорбційні комплекси органічних речовин з мінеральною частиною торфу.
| Елемент | Вміст, %
(в межах) |
Вміст, %
(середній за узагальненими даними Д.С.Орлова) |
|---|---|---|
| C – вуглець | 46÷61 | 58,7 |
| H – водень | 2,8÷6,6 | 5,0 |
| O – кисень | 31÷40 | 32,9 |
| N – азот | 2÷6 | 3,4 |
Неорганічні мінерали торфу з генетичних позицій розділяють на теригенні, аутигенні та біогенні.
Теригенні мінерали – уламковий матеріал порід і мінералів, що потрапили на торфове родовище через водну та повітряну міграції (кварц, польовий шпат, слюда, глинисті мінерали тощо).
Аутигенні мінерали виникають у торфогенному чи в глибоких шарах торфового покладу внаслідок хімічної взаємодії розчинених речовин між собою при зміні реакційної здатності середовища (приміром, лимоніт, вівіаніт, сидерит, пірит, гіпс тощо).
Біогенні мінерали виникають в рослинах-торфоутворювачах у процесі їх відмирання та подальшого біохімічного розпаду органічної речовини рослинного матеріалу. Мінералами біогенного походження є фітоліти (кремнієві утворення типу опал), та вевеліти (кальцієві утворення). Вміст мінералів зростає від верхових до низинних типів торфу і також залежить від геологічного оточення та віддаленості ділянки від краю торфового родовища. Основним мінералом в торфі є кварц (70-90% від суми всіх мінералів торфу). Загальний вміст мінералів в торфі верхового типу може коливатися в межах від 1 до 30%, а низинного – від 1 до 50%.
Неорганічні компоненти торфової води зустрічаються в іонній, молекулярній та колоїдній формах, а також у вигляді органо-мінеральних комплексів. Неорганічна частина торфової води представлена переважно катіонами (здебільшого Ca2+, Mg2+, Fe3+, Al3+, K+, Na+) і аніонами (HCO3-, NO3-, Cl-, SO42-) хімічних елементів. Вміст катіонів у торфовій воді (особливо Ca2+) впливає на кислотність середовища і визначає концентрацію розчинених органічних сполук.
Іонообмінні гетерополярні органо-мінеральні комплекси утворюються при взаємодії функціональних груп органічних кислот з катіонами сильних основ (Ca2+, Mg2+, K+, Na+) завдяки іонообмінним реакціям активних груп гумінових речовин з катіонами торфової води. Комплексно-гетерополярні органо-мінеральні сполуки утворюються при спільних проявах іонного та ковалентного або іонного та координаційного зв’язків між катіонами і молекулами органічної речовини торфу. Серед органо-мінеральних сполук найбільше значення мають внутрішньокомплексні сполуки – хелати (від лат. chelate — клешня) – циклічні структури, замкнені координаційними зв’язками кінцевих атомів і утворені завдяки рівноважній реакції між іонами металу та органічною молекулою, коли між компонентами встановлюється більше ніж один зв’язок.
Адсорбційні комплекси органічних речовин з мінеральною частиною торфу можуть мати вигляд: а) органічних плівок на мінералах при адсорбції гумінових речовин; б) нерозчинних комплексів гумінових речовин з несилікатними формами полуторних оксидів (Fe2O3, Al2O3). Можливе формування комплексів з мінеральних колоїдів та гумінових речовин за рахунок взаємодії через катіони, в першу чергу – через іони заліза.
|
Тип торфу |
Вміст груп органічних речовин в торфі, % від маси сухої речовини | |||||
|
ВР+ЛГ |
ВГ |
Б |
Л |
ГР | ||
|
ГК |
ФК | |||||
|
Верховий |
35,8 |
7,3 |
7 |
7,4 |
24,7 |
16,6 |
|
Перехідний |
23,9 |
3,6 |
6,6 |
11,4 |
37,8 |
15,7 |
|
Низинний |
25,2 |
2,4 |
4,2 |
12,3 |
40,2 |
15,5 |
Різні форми існування неорганічних компонентів в торфі вказують на складний механізм взаємодії неорганічної частини з органічною речовиною торфу. Подальше вивчення цього механізму дозволить краще використовувати хімічний потенціал торфу.
Джерелом органічної речовини торфу є болотні рослини-торфоутворювачі: мохи, трави, деревні породи. Оскільки в генетичному ряді твердих палив – рослини, торф, буре вугілля, кам’яне вугілля, антрацит, графіт – торф є «наймолодшим» паливом, його склад і властивості особливо сильно залежать від хімічних особливостей рослинного матеріалу, отже – і від типу торфу.
Вуглеводи (В) торфу ред.
До них належить значна частина водорозчинних речовин (ВР) – моно- та дисахариди, пектинові речовини, а також ЛГ та ВГ (целюлоза). Вуглеводи містяться в нерозкладеній масі рослин-торфоутворювачів і являють собою енергетичний матеріал, на якому розвиваються мікроорганізми (до 5-7 т мікробної маси на 1 га орного шару), що надають торфовому ґрунту родючість. До найважливіших моносахаридів торфу відносяться гексози (приміром, d-глюкоза, d-маноза, d-галактоза, фруктоза) та пентози (ксилоза, арабіноза, метилпентоза тощо). Дисахариди торфу представлені переважно сахарозою, лактозою, мальтозою, целобіозою, побудованими з гексоз і здатними розчинятися в холодній воді.
Пектиновими речовинами (ПР) називається комплекс вуглеводів кислотного характеру, вони доволі розповсюджені в рослинах і головна їх роль – склеювати оболонки, надавати їм міцність і еластичність в період росту рослини. ПР являють собою складний хімічний комплекс пентоз, гексоз і уронових кислот.
ЛГ – речовини-вуглеводи, що мають здатність легко гідролізуватися під дією мінеральних кислот або лугів – також об’єднують терміном геміцелюлози. Їх утворюють вуглеводи з п’ятьма чи шістьма атомами вуглецю (Карбону) в основній ланці, які, відповідно, називаються пентозанами з загальною формулою (С5Н8О4)n та гексозанами (С6Н10О5)n, де n – ступінь полімеризації. До складу геміцелюлоз входять також уронові кислоти, частка яких від сухої маси торфу складає 2-5%. Вміст геміцелюлоз в рослинах-торфоутворювачах становить 11-43%, ступінь полімеризації змінюється від 100 до 30 000. В цілому склад геміцелюлоз можна проілюструвати схемою:
ВГ – частина органічної речовини торфу, що важко гідролізується під дією мінеральних кислот або лугів (її гідроліз можливий лише в присутності концентрованої сірчаної кислоти) представлена високомолекулярними похідними вуглеводів і ототожнюється з целюлозою. Целюлоза – найпоширеніший природний полімер з молекулярною масою 30 000-600 000, що складається з ланцюжка молекул глюкози, найбільшою мірою зустрічається в деревних складових торфу (40-50%) та у сфагнових мохах (17-32%). При гідролізі целюлоза майже повністю перетворюється в глюкозу.
Вуглеводи торфу можуть бути сировиною для хімічної та біохімічної переробки. Торфові гідролізати мало відрізняються від гідролізатів деревини і можуть використовуватись для одержання спиртів, фенолів, кормових засобів (дріжджів, білкових препаратів, жирів, вітамінів тощо).
Бітуми (Б) торфу ред.
Бітумами прийнято називати речовини, що екстрагуються органічними розчинниками. До складу торфових бітумів входять: воски, вуглеводні, смоляні кислоти, власне смоли або асфальтени та масла. З плином часу кількість бітумів у торфовому покладі майде не змінюється, однак спостерігається збільшення вмісту воскової частини і зменшення смолистої, що свідчить про наявність вторинних процесів, які відбуваються вже в покладі і супроводжуються переходом смол у високомолекулярні сполуки. Зольність бітумів торфу не висока, здебільшого в межах 0,12-0,94%. Віск представлений високомолекулярними спиртами, кислотами та їх ефірами. До складу воску входять граничні та неграничні вуглеводні С33Н66, С33Н68, С33Н72 і вуглеводні з кількістю атомів вуглецю С23–С33; циклічні вуглеводні С23–С24 (С20Н12, С15Н24); аліфатичні спирти С20–С30 (С20Н40О4, С20Н42О, С24Н50О, С22Н52О, С22Н46О); циклічні спирти С30Н52О, С27Н50О; аліфатичні кислоти С12Н22О2, С14Н26О2, С16Н55О5, С19Н34О2, С20Н40О2, С21Н35О7, С22Н44О2, С25Н50О2, С27Н54О2, С28Н56О2, С29Н56О2, С30Н60О2, С31Н62О2; оксиліти С20–С21 тощо. Парафінові і терпенові вуглеводні, смоляні кислоти розчиняються в гарячому бензині, а асфальтени – в бензолі. Молекулярна маса асфальтенів 1100-1500, температура плавлення – близько 300оС. Маслá бітумів репрезентують рідку частину, мають густину меншу 1 г/см3 і молекулярну масу близько 600. Смоляна частина підвищує в’язкість та еластичність бітумів і представлена сполуками з молекулярною масою близько 600, температурою плавлення близько 100оС і густиною 1-1,08 г/см3.
Мікроструктура (будова кристалів) для всіх бітумів однакова, тотожна нафтовому парафіну, і мікроструктура торфових бітумів не є виключенням. А от макроструктура бітумів торфу відрізняється як від будови кристалів бітумів твердих палив, так і нафтових бітумів. Торфові бітуми слід розглядати як кристалізаційні структури, які проявляють пластичні властивості через високу пластичність кристалів, з яких вони сформовані. В різних торфах структури бітумів різні. Приміром, в малобітумінозному магеланікум-торфі міститься мало кристалічних речовин і вони не утворюють суцільної кристалічної структури, зростаючись окремими голчастими кристалами. Високобітумінозний сосново-пухівковий торф містить значну кількість восків (понад 60%), які утворюють типову кристалічну структуру. Однак високий вміст смолистої частини надає цьому бітуму характер в’язкого сколу. Елементарною кристалічною коміркою бітумів є ромбічна гранецентрована решітка з параметрами (нм): а=0,497±0,001; b=0.743±0.001; с=0,250±0,001. Вміст бензольних бітумів змінюється в межах від 1,2 до 17,7% і чітко залежить від природи торфу. За середніми значеннями бітумінозності торфи розташовуються в такий ряд: низинний < перехідний < верховий. Вміст бітумів у торфі верхового типу збільшується від мохових видів до деревних. Найбільш відома технологія виробництва бензинового торфового бітуму. Одержаний з нього торфовий віск має хорошу пластичність, достатню твердість, блиск, стійкий до атмосферних і бактеріальних впливів. Може використовуватись в ливарному виробництві, для полірування хромованих та нікельованих виробів, одержання полірувальних мастик, просочування паперу, шкіри, дерева, у виробництві олівців, косметики тощо. В емульсованому вигляді віск входить до складу антиадгезійних засобів для одержання виробів з пінополіуретану. Ідентичність кристалічної будови торфового воску та нафтового парафіну сприяє необмеженому їх сплавленню.
Гумінові речовини (ГР) торфу ред.
Гумінові речовини (ГР) торфу з’являються там, де відбувається накопичення рослинних залишків і їх біохімічний розпад. Узагальнено ГР складаються з гумінових кислот (ГК) та їх солей – гуматів. За найбільш визнаною гіпотезою ГР утворюються з будь-якої органічної речовини, при цьому швидкість накопичення ГК залежить від біохімічної стійкості компонентів рослин і складу середовища, яке може прискорювати чи уповільнювати швидкість процесу утворення ГК. Особливістю ГК є їх здатність утворювати Солі. Солі одновалентних катіонів (Na+, K+, NH4+) розчинні в воді, і на цій властивості ґрунтується виділення ГК з торфу, вугілля, ґрунту.
Вміст ГК в торфі варіює від 5 до 52%, знижуючись при переході від низинного торфу до верхового. Вміст ФК перебуває в оберненій залежності від типу торфу: 16,8 у низинному, 17 та 17,9% у перехідному та верховому типах торфу.
Гумінові кислоти являють собою колоїдно-високомолекулярну складову торфу і є головним чинником, що визначає властивості торфових систем: іонообмінні, водні, теплофізичні, міцнісні. ГР можуть використовуватись для регулювання структуроутворення бідних гумусом ґрунтів. Вони покращують водний, повітряний і живильний режими родючого ґрунту. Обприскування рослин гуматами Na в малих дозах дає значні прибавки врожаю.
Гумати Na можна застосовувати для стабілізації промивальних рідин при бурінні, для розріджування цементних шламів, підвищення рухомості бетонних сумішей. Практичний інтерес викликають ГР і як іонообмінні матеріали (для очищення промислових стоків) та фарбувальні речовини (дешеві і стійкі барвники для деревообробної промисловості).
Лігнін (Л) торфу ред.
Лігнін (Л) – це високомолекулярний природний продукт світло-коричневого кольору, який є головною складовою залишку, що не гідролізується. Рентгенографічно лігнін визначений як аморфна речовина, його елементний склад характеризується високим вмістом С (60÷66%) і відсутністю N. Вміст H та О сягає відповідно 5,4÷6,5 та 34,6÷27,5%. Подібно до ГК, лігнін не є індивідуальною сполукою, а являє собою суміш речовин ароматичної природи. У більшості органічних розчинників Л розчиняється дуже слабо.
Різні рослини дають лігнін, який відрізняється за елементарним складом і за будовою основних структурних одиниць. Однак усім лігнінам притаманні однакові функціональні групи. Високий вміст метаксильних груп (ОСН3) в лігніні торфу хвойних (14÷16%) і листяних (17÷22%) порід пояснює низьку гідрофільність лігніну. Присутні також гідроксильні (ОН) та карбонільні (С=О) групи, приблизно на кожні 40 атомів вуглецю одна група НСО.
Відмічена чітка залежність вмісту залишку, що не гідролізується, від типу торфу: в низинному торфі 12,3%, в перехідному – 11,4%, у низинному – 7,4% (середні значення).
Елементний склад органічної частини торфу представлений п’ятьма елементами: вуглецем, воднем, азотом, киснем і сіркою.
| Складові горючої маси, % | ||||
| Сг | Нг | Sг | Nг | Ог |
| 54-63 | 5,9 | 0,3 | 2,0 | 34,8 |
До складу сухої маси торфу, окрім зазначених елементів, входить також зола (Ас), а при розгляді робочої маси торфу необхідно також врахувати воду (wp).
Див. також ред.
Література ред.
- Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Східний видавничий дім, 2013. — Т. 3 : С — Я. — 644 с.
- Саранчук В. І., Ільяшов М. О., Ошовський В. В., Білецький В. С. Основи хімії і фізики горючих копалин. (Підручник з грифом Мінвузу). — Донецьк: Східний видавничий дім, 2008. — 640 с.