Методы физико-химических исследований

Экстракция

 

Экстракция — процесс извлечения растворителями соответствующих веществ из различных объектов. Объекты, из которых извлекают химические соединения, могут быть твердыми и жидкими. Поэтому процессы извлечения подразделяют на экстракцию в системе твердое тело — жидкость и на экстракцию в системе жидкость — жидкость (жидкостную экстракцию). Для экстракции веществ в системе твердое тело — жидкость в качестве экстрагентов применяют органические растворители. Извлечение соответствующих веществ из твердых тел водой называется выщелачиванием.

Метод экстракции в системе твердое тело — жидкость и метод выщелачивания применяются для изолирования исследуемых веществ (целевых компонентов) из растений, почвы и других объектов.

Степень изолирования исследуемых веществ из биологического материала зависит от растворимости извлекаемых веществ в экстрагенте, структуры (пористости) биологического материала, проникающей способности экстрагентов в клетки и ткани биологического материала, степени его измельчения, интенсивности перемешивания смеси измельченного биологического материала и экстрагента, кратности настаивания биологического материала с экстрагентом, температуры, рН среды и ряда других факторов [32].

При использовании методов экстракции отсутствует химическое превращение разделяемых веществ и не образуются побочные продукты. Вещества, выделенные с помощью метода экстракции, как правило, не содержат примесей, связанных с процессами адсорбции и окклюзии [31].

Для выделения их из природных субстанций гуматов и/или каустобиолитов угольного ряда, где они находятся в водонерастворимом состоянии, в виде свободных кислот или их водонерастворимых солей, используется щелочная водная экстракция, как правило, при избытке щелочного реагента. Для этого на практике используются гидроокись калия, натрия, аммония или органические основания, с которыми гуминовые кислоты образуют водорастворимые соли. В результате получается экстракт с высоким значением pH, содержащий соли гуминовых кислот и избыток щелочи. При этом именно за счет значительного отрицательного заряда анионов гуминовых кислот, приводящего к взаимному отталкиванию макромолекул и их гидратации, обеспечивается хорошая растворимость и высокая дисперсность таких систем. Однако сфера применения щелочных экстрактов гуминовых кислот весьма ограничена, так как высокие значения pH делают их, при использовании в значительных количествах, токсичными для микроорганизмов и растений, а высокий отрицательный заряд ухудшает их сорбционные, флокулирующие и структурообразующие свойства.

В то же время свободные гуминовые кислоты, образующиеся в водных системах при pH ниже 3, вследствие того, что их макромолекулы не несут заметного отрицательного заряда, агрегируются, подвергаются дегидратации и выпадают из водных систем в виде хлопьевидных нерастворимых осадков. При этом удельная поверхность их контакта с жидкой фазой и, как следствие, сорбционная, агрегирующая, реакционная способность резко снижаются. Поэтому наибольший практический интерес представляют переходные состояния молекул гуминовых кислот, когда они частично диссоциированны. pH таких систем колеблется в интервале от 3,5 до 8.

Недостатки способа заключаются в том, что в процессе экстракционного извлечения в раствор гуматов переходит большое количество высокодисперсных частиц исходного сырья, глинистых минералов и других растворимых и легко диспергируемых примесей. Так, зольность гуматов составляет 26-70%. Предварительной обработкой исходного сырья, например угля, минеральными кислотами, например серной кислотой, добиваются некоторой деминерализации, что позволяет снизить зольность гуматов до 12-20%. Однако этот прием значительно удорожает и усложняет производство гуматов. Кроме того, в получаемых экстрактах обычно присутствуют остатки непрореагировавшей щелочи.

Для извлечения биологически активных компонентов из костры в качестве экстрагента использовали водную и щелочную (0,1 КOH) вытяжки. Масса костры для получения вытяжки составляла 50 грамм, объем экстрагента 500 см³. Щелочную вытяжку впоследствии нейтрализовали 0,1н. серной кислотой до pH =7.

Инфракрасная спектроскопия

Инфракрасная спектроскопия - раздел молекулярной оптической спектроскопии, изучающий спектры поглощения и отражения электромагнитного излучения в ИК-области, в диапазоне длин волн от 10^-6 до 10^{-3 м.} ИК-спектроскопический метод анализа прочно вошел в практику исследования структурных особенностей гумусовых соединений почв и других природных объектов [8].

Спектральные характеристики (положения максимумов полос, их полуширина, интенсивность) индивидуальной молекулы зависят от масс составляющих ее атомов, геометрического строения, особенностей межатомных сил, распределения заряда и др. Поэтому ИК спектры отличаются большой индивидуальностью, что и определяет их ценность при идентификации и изучении строения соединений [39].

Инфракрасную спектроскопию использовали для получения данных о химическом составе вытяжек. На ИК-спектрометре были получены инфракрасные спектрограммы концентрата вытяжек после выпаривания.

 

Электролитическая проводимость

Способность электролитов проводить электрический ток объясняется наличием ионов, несущих положительные и отрицательные заряды, которые в отсутствии внешнего электрического поля движутся беспорядочно. При нало­жении внешнего электрического поля, движение ионов становится упо­рядоченным. Катионы двигаются по направлению к катоду, а анионы в про­тивоположном направлении - к аноду.

Так как перенос электричества в растворах осуществляется за счет движения ионов, то количество электричества, переносимое через раствор, зависит от ряда факторов: от природы вещества (сильный или слабый электролит); концентрации ионов; температуры и других параметров [25].

Данные об электролитической проводимости использовали для эксперимента по установлению оптимального времени экстракции.

На кондуктометре через каждые 25 минут измеряли удельную проводимость (См/м). По данным, полученным в ходе измерений построили график зависимости электропроводности от времени экстракции из которого установили оптимальное время экстракции. Исходили из предположения, что если электропроводность не повышается, то следовательно концентрация ионов в вытяжке не увеличивается (не происходит диссоциация).

 

Упаривание

Упаривание - уменьшение количества или объема какого-либо состава, раствора, выпариванием жидкости, используется как метод концентрирования.

Для установления оптимального времени упаривания при концентрировании экстрактов из льняной костры был поставлен следующий эксперимент: в фарфоровые чашки мерным цилиндром отмерялось 100 см³ вытяжки, чашки ставились на газовую горелку, а полученный за время упаривания осадок отфильтровывали и взвешивали на технических весах. Время первого упаривания 25 минут в последующих опытах время упаривания увеличивалось на 25 минут.