Қаражыра кен орны қоңыр көмірінен алынған гумин қышқылының сорбциялық қасиеттерін зерттеу

Гумин қышқылдарының ерекшелігі ретінде  олардың  молекуласының  амино, амидо, метоксилді, карбоксилді, фенолды  және спиртті гидроксилдермен , хиноидты  топтармен  қаныққандығын айтуға болады.

Берілген құрылымнан көріп тұрғандай,  Д.С. Орлов формуласы  көп ядролы  конденсирленген  жүйелердің болатынын қарастырмайды. Алайда гумин қышқылдарының макромолекулалары құрамында  көп ядролы  ароматты тұйық тізбектердің  болатындығы  оларды мырышпен  тотықсыздандыру  арқылы және  флюоресцентті  спектроскопия әдісімен дәлелденген.

И.Д. Комиссаров  ұсынған екінші формула бойынша (2-сурет) гумин қышқылдары  полиқосарланған  жүйелерге жатады. Бұл жағдай көптеген факторлармен дәлелденген. Мысалы, молекулалық  π- орбитальдарында электрондардың шоғырлануына  байланысты түзілетін  полиқосарланған жүйелерде  атомдардың өзара әсерлесуі  күшейіп, жеке байланыстардың  өзіндік  дербестігінің  біршама әлсірейтіні белгілі.

Бұл жағдайда гумин қышқылдарының  электрондық жұтылу  спектрлерінен  байқауға болады.  Гумин қышқылдарының ерітінділері   спектрдің қысқа толқынды  ауданына қарай  жылжытылған  көрінетін және ультракүлгін  аудандарында  тұтас жұтылу жолығымен  сипатталады. Спектрлердің  жіңішке жолақтарға  ыдырамауы  атомдардың  хромофорлы  топтасуларының  жалпы жұтылу жолағына  аз әсер ететіндігін  көрсетеді.

Гумин қышқылдарының  полиқосарланған  жүйелерге жататыны  осындай жүйелерге  тән болатын басқа да  қасиеттерімен  дәлелденген, ол қасиеттер: донор-акцепторлы  механизм бойынша  ассоциаттар түзу қабілеті, органикалық  еріткіштерде нашар еруі, аз созылғыштығы және жоғары термиялық  тұрақтылығы.

Гумин қышқылдарының  электрондық құрылымының  қосарланған жүйелері, сондай-ақ  молекулалардың «қаңқалы» бөлігімен  тікелей байланысқан  функционалды  топтардың π-электрондарын да қамтиды. Бұл жағдай функционалды  топтардың әрекеттесу қабілетіне, қышқылдық-негіздік  және тотығу-тотықсыздандыру  қасиеттеріне  едәуір  әсер етеді.

Гумин қышқылдары  құрамы  күрделі және тұрақсыз  жоғары молекулалық қосылыстар болғандықтан, ұсынылған формулалардың ешқайсысы  гумин қышқылдары молекулаларының  құрылысын дәл сипаттайтын  формула деуге болмайды. Дегенмен бұл формулалар  гумин қышқылдарының қасиеттерін сипаттауға, олардың әрекеттесу  қабілетін  болжауға, құрылымдық зерттеу әдістерін  жетілдіруге мүмкіндік береді. Басқаша айтқанда, жеке формулалар  молекула құрылымын  шамамен болса да бейнелейді.  Гумин қышқылдары айнымалы  құрамды қосылыстарға  жатқанмен де  олардың молекулалық  формуласын құрып қолдануға болады, бірақ бұл формулалардың  бәрі де  ықтимал  формула екенін  естен шығармау керек.

Топырақтың құнарлылығы оның құрамындағы гумус мөлшерімен тікелей байланысты. Гумус, қара шірінді – топырақ құрамындағы шіріп ыдыраған қара қоңыр түсті органикалық заттар; гумус қышқылдарынан (гумин қышқылы және фульвоқышқылдар), гуминнен, т.б. заттардан тұрады. Гумус қышқылдары сілтілі ортада жақсы ериді. Суда нашар ериді, ал басқа қышқылдарда мүлде ерімейді. Топырақтан бөлінген гумин қышқылдарын құрғатқанда, одан қара қоңыр немесе қою түсті препарат алынады. Оның құрамында көміртек (50 – 62%), сутек (2,8 – 6,6%), оттек (31 – 40%) және азот (2 – 6%) болады. Фульвоқышқылдар – гумин қышқылдарын тұндырып алғаннан кейін ерітіндіде қалатын гумус қышқылдарының бір тобы. Бұлар да гумус қышқылдары тәрізді жоғары молекулалы  азоты бар органикалық  қышқылдар. Гумин қышқылдарынан айырмашылығы – түсі ашық, көміртек мөлшері аздау (41 – 46%), қышқылда жақсы ериді. Гумус құрамында бұлардан басқа гидролизденбейтін қалдық гуминдер де болады. Гуминдік заттар микробиологиялық  жолмен де түзілетіні белгілі. Органикалық қалдықтар ыдырағанда, пайда болған көмірсулар мен амин қышқылдарының біраз мөлшері, микроорганизмдер клеткасындағы ферменттер көмегімен қара қоңыр түсті зат – гумус қышқылдарына айнала алады. Топырақтың 90%-ы  гумустың үлесіне тиеді. Жер бетіндегі гумустың қоры (2,4 – 2,5)•1012 т-дай. Табиғат аймақтарында тіршілік ететін өсімдіктер мен жануарлар қалдықтарының химиялық  құрамы әр түрлі болуына байланысты топырақтағы  гумустың құрамы да әр түрлі келеді. Топырақ түзілуде гумустың алатын орны ерекше. Ол өсімдіктер үшін қоректік заттар көзі ғана емес, топырақ құрылымын жақсартып, оның құнарлылығын арттырады. Сондықтан егіншілікте қолданылатын барлық шаралар топырақтағы гумус қорының артуына бағытталған /37/. Яғни, гумус дегеніміз – бұл кез-келген топырақтың құнарлылығын қамтамасыз етуші табиғи органикалық қосылыстар. Топырақ жеткілікті мөлшерде құнарлы болуы үшін оның құрамындағы гумин қышқылы кем дегенде 5-6%  немесе гектарына 150-190 тонна болуы керек. Ал ондай топырақтар табиғатта сирек кездеседі [10].

Гуминдік заттар – биологиялық және биохимиялық процестер нәтижесінде өсімдіктер мен жануарлар қалдықтарынан  топырақта түзілетін органикалық заттардың тұрақты жиынтығы. Гуминдік заттар микроорганизмдер әсерінен  көміртек (карбонаттар), азот (нитраттар), фосфор (фосфаттар) қосылыстарына айналады. Бұл заттар суда жақсы ериді, өсімдіктер оларды қоректік заттар ретінде  оңай сіңіре алады. Топырақта жиналған өсімдіктер мен  жануарлар қалдықтары оның беткі қабатында орналасады және  біртіндеп ерігенде топырақпен араласып, оның құнарлығының жақсаруына көмектеседі. Ыдырау өнімдерімен  өсімдіктер, микроорганизмдер қоректенеді немесе топырақта шіріп, гумусқа айналады. Шіру процесінде  қалдықтар ыдырап қана қоймайды, сонымен бірге сол жеке заттардың қайтадан өзара қосылуынан  жаңа заттар түзіледі. Гуминді заттардың сапасы  өсімдіктер мен жануарлар қалдықтарының  құрамына, биологиялық және  биохимиялық  процестер түріне байланысты.

Гумин қышқылдары — тұздар құрамындағы органикалық заттардың маңызды бөлігі, тұрақты және күрделі кұрамды органикалық қосындылар, бұлардың кышқыл және коллоидты ерітінділер құрайтын қасиеттері бар. Гумин қышқылдары топырақ гумусінің негізін кұрайды, өсімдіктер мен жануарлар қалдықтары ұсақ ағзалардың қатысуымен ыдырау арқылы синтезделеді (гуминделеді). Сол сәтте топырақтың минералдық бөлігіндегі кальциймен орайласып күрделі органикалық — минералды тұз — кальций гуматын түзеді. Ол топыраққа қара түс береді, топырақ түйіртпектеліп, физикалық-химиялық қасиеттері жақсарады. Гумин қышқылы құрамына көміртегі, сутегі, оттегі, азот, фосфор, күкірт, т. б. элементтер, органикалық карбоксил, карбонил, фенол топтары кіреді. Орташа гумин қышқылының топырақтағы көлемі (гумустан алғандағы): күлгін топырақта 13—22%, сұр орман топырағында — 25—35%, кәдімгі қара топырақта — 35—40%, қара қоңыр топырақта — 30—35%, боз топырақта — 10—15% болады.

Гумус заттарының түзілуіне көптеген зерттеушілер көңіл бөлген. Оларға химиялық талдау жасап, мәліметтер жинап, түзілу жолдарын анықтай бастады. Бұл жөнінде ең алғаш көзқарастарын білдірген М.В.Ломоносов, П.А.Костычев, С.П.Кравков, А.Г.Трусов  т.б. болды. Гумустың құрылуының жалпы сызбасын қағазға түсірген В.Р.Вильямс еді. Ол топырақтың тек қана биологиялық жағына көңіл бөледі. Одан кейін топырақтың гумусының көзі лигнин деген көзқарас туды (Ж.Фишер, 1921, В.Фукс, 1936). Бұл көзқарас бойынша гумус ешқандай да ерекше құрылым емес, ол лигнин мен протеин комплексі дегенді айтты. ТМД елдерінің топырақтардағы органикалық заттарды толық зерттеуде, топырақтағы гумустың мөлшерін анықтауда И.В.Тюриннің үлесі ерекше. Ол бұл процестің күрделілігін көрсетті. Бұл ғалымның зерттеулерін М.М.Кононова жалғастырып, гумус заттары – ароматикалық құрылымдардың жеке молекулалары ферменттерінің қатысуымен өтетін, конденсация арқылы түзілген заттар екенін ашты. М.М.Кононованың айтуы бойынша барлық өсімдіктер қалдықтары гумустену кезінде микроорганизмдермен сіңіру жолынан өтеді екен.

Шымдыкүлгін топырақтың гектарында шамамен 70—90 тоннадай, ал қара топырақта ол 90-нан 300 тоннаға дейін барады. Егер гумуста орта есеппен 5%-дай азот бар десек, шымдыкүлгін топырақта — 15 тоннаға дейін жетеді. Топырақ гумусының құрамы түрліше. Олардың құрамындағы әр түрлі заттар микроорганизмдердің әсерінен түрліше жылдамдықпен ыдырайтыны тәжірибеде анықталған. Гумус өте баяу ыдырайды. Түрлі зерттеулер, қалыпты климат жағдайында бір жылда топырак гумусының жалпы қорының 1-дан 3%-ға дейінгі мөлшерінің ыдырайтынын көрсетті.

Агрономиялық ғылымның негізін қалаушы В. В. Докучаев тапырақтың гумусқа баюы ондағы өсімдіктерге байланысты екенін көрсеткен. Гумус топырақта өзгеріске ұшырап, нәтижесінде одан бірнеше қышқылдар (ульмин, гумин, крен қышқылдары) түзіледі. Бұлардың әр қайсысының түзілуі микроорганизмдердің белгілі бір тобының тіршілік әрекетіне байланысты. Топырақ құрамын жасауда бұл қышқылдардың зор маңызы бар. 
Гумус көбінесе шөп басқан жерлерде, микробтардың тіршілік әрекетінің нәтижесінде пайда болады. Зерттеулерге қарағанда,  бұл процеске көбінесе бактериялар қатысады.  Топырақка ауа көп енгенде   гумус жақсы ыдырайды.      Бұл процеске негізінен актиномицеттер қатысады.  Топырақтың органикалық  бөлігі өте күрделі қосылыстардан тұрады.Олардың көпшілігі гумин заттарына жатады.    Ал гумин қышқылдарынан басқа онда өзіндік қасиеттері бар түрлі қосылыстар да кездеседі. Бұған ферменттер,  витаминдер, ауксиндер және кейбір амин қышқылдары жатады. Осылардың барлығын қосып айтқанда, топырақтың негізін құраушы биотикалық заттар деп атайды.

Биотикалық заттар микроорганизмдердің тіршілік әрекетінен түзіледі. Сонымен катар кейбір өсімді0ктердің тамырлары да топыраққа осындай заттарды бөліп шығарады.

Гумификация құбылысын зерттеген белгілі ғалым – Л.Н.Александрова. Оның жасаған сызба-нұсқасына қарағанда гумус органикалық қалдықтардың ыдырауы, микробиологиялық синтез, гумификация, топырақтың минералды бөлігімен әрекеттесуі, минерализация процесі және минералдық құрамдас бөліктерінің биологиялық айналымға қосылуы арқылы түзіледі.

Л.Н.Александрова бойынша гумификация – органикалық қалдықтардың түзілуі арқасында жоғары молекулярлық қосылыстардың күрделі биофизика-химиялық құбылыстар арқылы органикалық құрамдардың ерекше класы – гумусты түзуі. Бұл процестің белсенділігі: топыраққа түскен өсімдік қалдықтарының мөлшері, химиялық құрамы, топырақтың ылғалы, ауа режимдері, ортаның реакциясы, биологиялық белсенділігі сияқты факторларға байланысты жүреді. Л.Н.Александрова топырақтағы органикалық қалдықтардың гумификациялану типтерін көрсетті: фульватты, гуматты, фульватты-гуматты.

Белгілі ғалым Д.С.Орлов (1977) осы түсініктерге гумификацияланудың тереңдігі деген ұғым енгізіп, өрнегін құрды:

                                                              H=f(Qit).

         Q – жыл  сайын топыраққа түсетін өсімдіктер қалдықтарының мөлшері, і – олардың ыдырауының тездігі, t – топырақтың биологиялық белсенділігінің уақыты. Бұл көрсеткішпен әр түрлі топырақтардағы гумификация процесінің сипаттамасын анықтауға болады.

Гумус құрамындағы ерекше органикалық заттар. Гумус заттары негізінен гумус қышқылдарынан тұрады. Олардың құрамына гумин қышқылдары, фульво қышқылдары және гумин кіреді. Бұл топтарға бөліну себебі, гумус қышқылдарының топырақтан алыну жолдарына байланысты. Гумус қышқылдары – ауыспалы ерекше құрамдар.

Гумин қышқылдары – сілтілерде жақсы еритін гумус қышқылдарының бір тобы. Олар суда аз ериді, қышқылдарда ерімейді. Топырақтың минералды бөлігіндегі кальций катионының әсерінен коагуляцияға ұшырап, шөгінді кальций гуматы күйінде топырақта орнығады. Гумин қышқылдарының молекулалық құрамы өте күрделі. Ядросында бензолполикарбонды қышқылдар, ароматикалық, гетероциклдық бензолдың сақиналары т.б., ал шеткі молекуларына көптеген функционалдық топтар (карбоксильді, метоксильді, карбонильді т.б.) кіреді. Гумин қышқылдарының көп қасиеттері осы функционалдық топтарға байланысты. Гумин қышқылдарының құрамын ароматиклық құрылымдар (50-60%), көмірсутектер (25-30%), функционалдық топтар (10-25%) құрайды.

Фульво қышқылдары – гумус қышқылдарының гумин қышқылдары тұнғаннан кейін ерітінділерде қалатын тобы. Бұлар да жоғары молекулалық құрамында азоты бар құрылымдар. Бұлардың гумин қышқылдарынан біраз айырмашылықтары бар. Фульво қышқылдарының түсі ашық, көміртегі мөлшері төмен, суда ериді әрі қозғалғыш келеді. Сондықтан топырақтың органикалық және минералдық қосылыстарын ерітіп, ондағы катиондармен қосылып, фульват тұздарын құрайды да, сумен топырақ қабаттарында төмен қарай шайылады. Тайгадағы күлгін топырақты, құрғақ даладағы кейбір топырақтың қалыптасуына бұл қышқыл шешуші фактор болып табылады. Далалық қара топырақтарда гумин қышқылдары басым, сондықтан оның химиялық құрамы тұрақты және құнарлылығы жоғары. Гумин қышқылдары мен фульво қышқылдары молекулярлық салмағы бойынша бірнеше фракцияларға бөлінеді.

Гумус қышқылдарының көп бөлігін гумин құрайды. Бұл минералды бөлікпен тығыз байланысып, сілтілермен гидролизденбейтін қышқылдардың қалдығы. Құрамында гумин және фульвоқышқылдары бар.

Гумин қышқылының жинақталатын өте үлкен қорлары шымтезекте, қоңыр көмірде. Гумин қышқылдары бұл табиғаттың органикалық өзгеру нəтижесінде пайда болады, солай болғандықтан бұл өзгеріс неғұрлым ұзақ жəне белсенді түрде жүрген болса, табиғат шикізатында гумин қышқылдары соншалықты көп болады. Бұл реагенттерді дайындау үшін негізгі материалдар ретінде қоңыр көмір, торф немесе құрамында гумусы бар тас көмір мен натрий гидроксидінің ерітіндісі қолданылады. Гуматтар əрекетінің бастамасы ретінде натрий гидроксиді ерітіндісімен қоңыр көмірді немесе торфты өңдеу процесінде бөліп алынған гуминді заттар пайдаланылады. Қоңыр көмірді негізгі жеткізуші болып Көміртау (Башқұрстан), Қызылқия (Қырғызстан) жəне басқа да көмірлер пайдаланылады. Гуминді қышқылдар дайындауда қолданылатын қоңыр көмірдің техникалық талаптарына ондағы гуминді заттардың 35-40%-дан кем болмауы, құрамындағы золь мен ылғалдылығы артып кетпеуі керек. Гуминді заттар əртүрлі шикізат көздерінен (қоңыр көмірден, торфтан, сапрофельден жəне т.б.) алынуына қарай бір-бірінен қасиеттері бойынша ерекшеленеді (торф гумин қышқылының молекуласы көмір гумин қышқылының молекуласына қарағанда əлдеқайда бұталанған құрылымы мен ассиметриялық пішінге ие). Бұл айырмашылық көмір түзілуінің əрқилы сатысындағы шикізаттан алынған гумин қышқылдарының сілтілік ертітінділеріндегі тұтқырлық шамасында көрініс береді [11].

Гумин қышқылы - əртүрлі молекулалық құрылымдағы өнім қоспасы. Олар ерігіштігі бойынша үш топқа бөлінеді: фульвоқышқылдары су мен спирте ериді; гиматамеландылар-суда ерімейді, бірақ спиртте ериді; гумустылар - аталған еріткіштерде ерімейді.

Гуминді заттар - молекулалық массалары 4000-8500 болатын қоюлатылған ароматты ядролы органикалық коллоидты заттардың қоспасы түріндегі күрделі табиғаттағы жоғары молекулалық қосылыстар болып табылады. Химиялық əдістермен осы қосылыстардың табиғатын өзгерту қоңыр көмір гуматының коллоидты тұрақтылығына əсер етуі тиіс [10,6].

1.3 АҚАБА СУЛАРДЫҢ ТҮРЛЕРІ ЖӘНЕ ОЛАРДЫ ТАЗАРТУ ӘДІСТЕРІ

Ағынды сулар дегеніміз - бастапқы химиялық құрамы мен физикалық қасиеті әртүрлі ластаушы заттардың әсерінен өзгерген тұрмыстық, өндірістік немесе басқа да қажеттіліктерге қолданылған, сонымен қатар елді мекендер мен өндірістік орындар аумағынан атмосфералық жауын-шашын немесе көшелердің жуылуынан аққан суларды айтамыз.

Ағынды сулар пайда болу түрі мен құрамына байланысты негізгі үш түрге бөлінеді: тұрмыстық, өндірістік және атмосфералық.