Диссертация

Гуминовые вещества (ГВ) представляют собой сложные супрамолекулярные системы, образуемые продуктами окислительной деградации компонентов биомассы: лигнинов, таннинов, пептидов, углеводов, липидов, и др. Обогащенность кислородсодержащими функциональными группами, среди которых преобладают карбоксильные и фенольные, определяет кислотный характер и макролигандные свойства ГВ. Как следствие, они способны связывать как тяжелые металлы, так и органические загрязняющие вещества. Наличие производных с сорбционными свойствами открывают возможность их применения для получения модифицированных сорбентов, а так же в качестве инъекционного материала для in situ установки проницаемых реакционных барьеров (ПРБ) с помощью наливных скважин. Такие ПРБ представляют собой высокотехнологичные инженерные сооружения, которые позволяют проводить очистку водоносных горизонтов глубокого залегания in situ, без выемки загрязненных пород. Указанные обстоятельства определили важность и актуальность разработки альтернативных синтетических подходов, направленных на получение гуминовых производных с требуемыми свойствами с использованием легколетучих (полностью удаляемых из конечного продукта) органических растворителей, предпочтительно - воды. Поэтому цель диссертационной работы состояла в разработке способа синтеза силанольных производных гуминовых веществ без использования органических растворителей, исследовании сорбционной способности полученных производных на субстратах различной дисперсности во взаимосвязи со строением и изучении возможности применения силанольных производных, иммобилизованных на тонко- и грубодисперсных субстратах, для минимизации последствий загрязнения окружающей среды. Впервые предложен и осуществлён синтез силанольных производных гуминовых веществ путем взаимодействия полианионов ГВ и аминоалкоксисиланов в водной среде с последующей твердофазной конденсацией силсесквиоксановых систем в составе продуктов реакции при нагревании в вакууме. Установлена количественная взаимосвязь строения полученных производных с сорбционной способностью на кремнийсодержащем тонкодисперсном субстрате – силикагеле – в условиях статического эксперимента. На основании комплексного физико-химического исследования взаимодействия 3-аминопропилтриэтоксисилана (АПТЭС) и гуминовых веществ в водной среде установлено, что полианионы ГВ ускоряют гидролиз АПТЭС и конденсацию образующихся аминосилантриолов с формированием системы силсесквиоксангуминовых полиэлектролитных комплексов, обладающих активной силанольной функциональностью. Впервые показано, что силсесквиоксангуминовые комплексы способны сорбироваться на кремнийсодержащих субстратах в диапазоне фрактальной размерности (D) от 2.5 до 3, тогда как при переходе во фрактал поверхности (D > 3) они эту способность утрачивают. Впервые установлены количественные закономерности влияния условий среды (рН, концентрация и соотношение реагентов, присутствие ионов кальция) на скорость перехода фрактал массы - фрактал поверхности для системы ССГК. Впервые осуществлена контролируемая иммобилизация силсесквиоксангуминовых комплексов на песке в условиях динамического эксперимента без нарушения гидравлической проницаемости сорбента. Продемонстрирована взаимосвязь сорбционной способности от состава иммобилизованных производных ГВ на примере экотоксиканта с высокой миграционной способностью - диазокрасителя. Показана принципиальная возможность применения силанольных производных ГВ для восстановления водопрочности почвенных агрегатов с целью улучшения структуры нарушенных почв. Теоретическая значимость работы определяется установленной зависимостью между фрактальной размерностью силсесквиоксангуминовых систем (ССГС) и их способностью закрепляться на минеральных субстратах с образованием рыхлой сетки, не нарушающей поровое пространство сорбента, которая зависит от количества активных (свободных) силанольных групп в системе. Практическая значимость работы определяется продемонстрированной возможностью использования разработанных силанольных производных гуминовых веществ в природоохранных технологиях, в частности для получения поверхностно модифицированных гибридных сорбентов и для инъекционной установки проницаемых реакционных барьеров. Экологическая безопасность силсесквиоксангуминовых комплексов была подтверждена методом биотестирования, что показывает возможность их внесения в водоносные горизонты. Кроме того, силсесквиоксангуминовые комплексы показали высокую эффективность для восстановления водопрочных структур в нарушенных почвах, что делает возможным их применение для восстановления нарушенных земель.