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.

Гумин қышқылдары – алғашқы заттарға байланысты  бір-бірінен  кейбір айырмашылықтары бар, бірақ жалпы құрылыстары  бірдей  жоғары молекулалы,  қара қоңыр түсті заттар. Химиялық формуласына келсек,  гумин қышқылдары – ароматты ядролары  ароматты емес бөліктермен жалғасқан, конденсирлену  дәрежелері аз, ароматты оксикарбон қышқылдары. Гумин қышқылдарының жалпы құрылымы, мысалы ядросында  және бүйір тізбегінде  әртүрлі функционалды топтар, қозғалмалы π-электрондар бар  ароматты қосылыстардың  және парамагнитті орталықтардың болуы, олардың ион алмасу, комплекстүзу, таутомерия, тотығу-тотықсыздану реакцияларына  қабілеттігін, жалпы айтқанда, олардың қасиеттерінің  әмбебаптығын  қамтамасыз етеді.

 

Көмірді белсендіруге тұз қышқылының әсері 

 

Математикалық жобалау әдісін қолданып Қаражыра кен орнынан алынған көмірді тұз қышқылымен белсендіру жағдайлары анықталды.   Процесс   Қ:С=1:3 қатысында жүргізілді, экспериментті жобалау матрицасы төмендегі кестеде берілген, ол регреция теңдеуі нәтижесінде есептелген: 

 

U=7,25+2,92х1+4,21х2+1,17х12+0,94х22-2,09х32                                           

 

Бұл теңдеуден қоңыр көмірді тұз қышқылымен өңдегенде температура мен концентрация сызықтық қатынаста, ал температура, концентрация, уақыттың квадраттық әсерлесуі тура пропорционалды қатынаста екендігі көрінеді. 

 

Кесте 4 – Қоңыр көмірді минералдық қышқылдармен өңдеуді жобалау матрицасы 

 

Факторлардың кодталған мәндері			Факторлардың натурал мәндеріндегі маңызы			Суда еритін заттар шығымы У(%)
Z1	Z2	Z3	X1(t), оС	X2(С), %	X3(τ), мин	НСl
+1	+1	+1	28	2	15	0,5
-1	+1	+1	52	2	15	1,4
+1	-1	+1	28	4	15	7,9
-1	-1	+1	52	4	15	10,8
+1	+1	-1	28	2	45	3,3
-1	+1	-1	52	2	45	4,6
+1	-1	-1	28	4	45	10,4
-1	-1	-1	52	4	45	15,4
-1,682	0	0	20	3	30	3,4
+1,682	0	0	60	3	30	20,1
0	-1,682	0	40	1	30	4,1
0	+1,682	0	40	5	30	18,1
0	0	-1,682	40	3	5	5,2
0	0	+1,682	40	3	55	8,4
0	0	0	40	3	30	8,5
0	0	0	40	3	30	5,5
0	0	0	40	3	30	5,1
0	0	0	40	3	30	6,0
0	0	0	40	3	30	4,9
0	0	0	40	3	30	8,1

 

Көмірдің элементтік және функционалдық талдауы тұз қышқылымен өңдеген кезде құрылымында өзгеріс болатыны көрсетеді. 4 Кестеден  көріп тұрғанымыздай тұз қышқылымен белсендіргенде көміртек атомы мөлшерінің азаятанынын байқаймыз. Ол құрылымның шеткі бөлігінің тотығуымен түсіндіріледі.  Сутек мөлшерінің аздап азаюы диспропорциолану реакциясы мен рекомбинацияға тәуелді болуы керек. Ал азот атомы мөлшері өзгермейді, себебі тұрақты гетероароматикалық циклдердің болуына байланысты болу керек.

 

Кесте – 5 Бастапқы және белсендірілген көмірдің элементтік және функционалдық құрамы 

 

Құрамы		Үлгі
		ҚК	ҚК-2
Элементтік құрамы
Салмақтық %	С	53,61	50,10
	Н	4,21	3,67
	О	28,92	34,47
	N	1,43	1,45
Атомдық%	С	42,20	41,33
	Н	39,60	36,30
	О	17,10	21,40
	N	0,95	1,03
Атомдық қатынасы	Н/С	0,94	0,88
	О/С	0,40	0,52
	С/N	43,74	40,31
Тотықтырғыштық дәрежесі	Ω	0,13	0,16
Функционалдық құрамы, мг-экв/г
СООН + ОН-фенолды		2,73	4,71
СООН		0,33	1,80
ОН-фенолды		2,40	2,91

 

 

 

 

1 – бастапқы көмір, 2 –  тұз  қышқылымен белсендірілген көмір

Сурет 5 – қоңыр көмір үлгілірінің ИК-спектрлері 

 

Гуминді қосылыстар молекуласында Н/С атомдық қатынасының  0,94-тен 0,88 –ге дейін кемуі ароматтық құрылымның артып, ал  О/С қатынасының  0,40-тан 0,52–Ге дейін кемуі тұз қышқылымен өңдегенде көмірдің тотығу дәрежесінің артатынын көрсетеді.

Карбоксилдік және фенолды-гидроксилдік топтардың қосынды шамасының артуы көмірдің тұз қышқылы әсерінен тотығу-гидролитикалық деструкциясының артуымен түсіндірілетін болу керек. Ангидриттік, эфирлік, күрделі эфирлік байланыстар үзіліп, гумин қышқылының деминерализациясы өтетін болуы мүмкін.  Карбоксилдік топтардың мөлшерінің артуы көмірдің деструкциясы кезінде біріншілік көміртек атомдарында карбоксилдік топтар ароматтыға қарағанда қиынырақ үзіледі, нәтижесінде фенолды гидроксилдер шамасы артады.

Тұз қышқылымен белсендірілген қоңыр көмірдің ИК-спектрі бастапқы алығнған қоңыр көмір үлгісінен бөлек болуы, тұз қышқылы әсерінен көмірдің түрленуін дәлелдейді. (кесте 6). Мысалы, сіңіру сызықтарының белсенділігі  3450–3360 см-1 аймағында  фенолды гидроксилге сәйкес келетін  қышқыл әсерінен артады  Алифатты карбон қышқылдарының СН3–, СН2–, СН–топтары шыңдарын салыстыру нәтижесінде 2920-2810 см-1. 1720–1680 см-1 аймағында жалпақ жолақтар байқалады, олар карбон қышқылдарының С=О байланыстарына сәйкес келеді. Ароматты топтардың -С=С белдеулері  1620–1590 см-1 аймағында тұз қышқылы әсерінен  артады, себебі карбоксилдік топтардағы оттектік байланыс әсерінен.  1420–1380 см-1 аймағындағы жолақтар  С–О байланысы бар бөлікке сәйкес келеді, ал  1340–1250 см-1 аймақтағы жолақтар  ОН-тобын сипаттайды, олардың да белсенділігі тұз қышқылы әсерінен артады. Полосы поглощения в области 1100–1020 см-1 сіңіру аймағындағы жолақтар гетреоциклді ароматты қосылыстардағы –СН топтарының деформациялық тербелуіне сәйкес келедіде , тұз қышқылының әсерінен белсенділігі артады.

Кесте 6 – Қоңыр көмір мен тұз қышқылымен белсендірілген қоңыр көмірдің  ИК-спектрінің сипаттамасы

 

Сіңіру	Жиілігі, см–1
	ҚК	ҚК-2
ν (ОН)	3450-3380 (әл.)	3440-3360 (ср.)
ν (СН3, СН2, СН)	2920-2810 (ор.)	2900-2820 (с.)
ν (С=О)	1720-1680 (әл.)	1720-1680 (с.)
ν (С=С)	1620-1590 (ор.)	1620-1590 (с.)
ν (СО)	1420-1320 (ор.)	1420-1310 (с.)
ν (ОН)	1340-1250 (әл.)	1340-1250 (с.)
ν (СН)	1100-1020 (ор.)	1100-1000 (с.)

Түсініктеме:

к. – күшті, ор. –орташа, әл. –әлсіз жолақтар.

 

Осылайша элементтік, функционалдық және  ИК-спектрлік талдау нәтижесінде қоңыр көмірді тұз қышқылымен белсендіргенде көмірдің құрылымдық түленуі өтіп, гумин қышқылының шығымы артады.

Ауыр металл иондарының табиғи сорбенттерде сорбциялануы. 

Қоңыр көмірдің өзінен және минералды қышқылдармен белсендіру нәтижесінде алынған табиғи сорбент ретінде қолданылатын гуминді қосылыстардың сорбциялық қасиетін зерттеу өте маңызды.  Көпшілік әдебиет беттерінде кездесетін материалдар гуминді қосылыстардың алу жолдарын сипаттауға, құрамын анықтауға арналған. Ал олардың сорбциялық қасиетін талдауға арналған жұмыстар шамалы. 

Қаражыра кен орнынан алнғын қоңыр көмірден алынған гумин қышқылының сорбциялық қасиеті тұз қышқылымен белсендірілген қоңыр көмірден алынған гумин қышқылына қарағанда төмендеу (бастапқы ерітіндідегі мыстың мөлшері 1мг/мл болғанда сорбциялануы 3,0-3,2 және 3,6 мэкв/г құрайды).

Ауыр металдар мыс, кадмий және қорғасынның тұздарының концентрациясы10-3М ерітіндісінен осы металдар иондарының сорбциялануының статистикалық жағдайдағы нәтижелері анықталды. Сорбцияланған иондар мөлшері келесі формуламен анықталды.

 

, мг/мл

Алынып отырған сорбенттің сорбциялау шамасын анықтау үшін орта қышқылдылығы  8 ден 14 аралығында алынды. Эксперимент  температура 20С шамасында, концентрациясы 10-3 нен 3,1 10-5М аралығында болды. Эксперимент нәтижесінде келесідей нәтижелер алынды:

Кесте 7 Мыс, кадмий, қорғасын иондарының сорбцияланғыштығы

Сорбцияланушы Металл	Сорбцияланған иондар мөлшері,А, мг/мл
	Түрлендірілмеген	Түрлендірілген
Мыс	10,4	14,2
Қоғасын	32,6	45,5
Кадмий	17,94	19,95

Сараптама нәтижесі көрсеткендей барлық үлгіде ауыр металл иондарының мөлшері тазартылғанға дейінгі үлгіге қарағанда анағұрлым төмендеген. Уақытқа байланысты алынған сорбентімізде 180 минут уақыт аралығында Cd 0.8133 – 0,0513 мг/дм3 және Zn 0.7045 – 0,3093 мг/дм3 дейін ауыр металл иондарының, ал 240 минут уақыт аралығында Cu 0.1293 – 0,0042 мг/дм3 және Pb 4.3745 – 1,0122 мг/дм3 дейін ауыр металл иондарының сорбциялануы жақсы жүрген. 

Кесте 8 Уақытқа байланысты активтелген көмірден алынған сорбентпен тазартылған ластанған суыдың құрамы.

Металл           иондары Уақыт	Cd	Cu	Pb
60 мин	0,0524	0,0652	0,8002
120 мин	0,0336	0,0533	0,7501
180 мин	0,0267	0,0185	0,6001
240 мин	0,0241	0,0026	0,6956
300 мин	0,0381	0,0012	0,891

 

 

 

 

6 -сурет. алынған сорбентте және активтелген көмірде Pb иондарының сорбциялануының уақыт бірлігінде өзгеруінің салыстырмалы қисығы (көк –беслендірілмеген көмір сорбенті, қызыл - БК).

 

7 -сурет. алынған сорбентте және активтелген көмірде Сu иондарының сорбциялануының уақыт бірлігінде өзгеруінің салыстырмалы қисығы (көк –беслендірілмеген көмір сорбенті, қызыл - БК).

 

8 -сурет. алынған сорбентте және активтелген көмірде Сd иондарының сорбциялануының уақыт бірлігінде өзгеруінің салыстырмалы қисығы (көк –беслендірілмеген көмір сорбенті, қызыл - БК).

Осыдан Қаражыра кен орнынан алынған қоңыр көмірді тұз қышқылымен белсендіріп алынған гумин қышқылының сорбциялық қабілеті, белсендірілмеген көмірден алынған гумин қышқылына қарағанда жоғары болатынын көруге болады. Қаражыра кен орнынан алынған қоңыр көмірден гумин қышқылын алу шығымы да көмірдің белсендірілуіне тікелей тәуелді.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ҚОРЫТЫНДЫ

Қоңыр көмірдің Қазақстанда таралуы мен кен орындары жайлы, қоңыр көмірден гуминді қосылыстарды алу туралы, ақаба сулар мен оларды тазарту әдістері жайлы әдеби шолу жүргізілді.

Гуминді қосылыстарды қоңыр көмірден алу мәселесі осы жұмыста қарастырылды. Гуминнің шығымы қоңыр көмірді тұз қышқылымен белсендірген кезде артатындығы анықталды. Беслсендіріліген және бастапқы қоңыр көмірден алынған гумин қышқылының ИК спектрі түсіріліп, айырмашылығы анықталды.